Разработка урока по физике 11 класс. Тема урока: « Деление ядер урана, цепная ядерная реакция. Ядерный реактор»

РАЗРАБОТКА УРОКА ПО ФИЗИКЕ. 11 КЛАСС
Тема: « Деление ядер урана, цепная ядерная реакция. Ядерный реактор»
Цели урока: сформировать понятия о делении ядер урана, цепной ядерной реакции и условии её протекания, дать представление о ядерном реакторе и принципе его работы. Развивать умения анализировать, делать выводы. Воспитывать дисциплинированность, положительное отношение к знаниям.
Тип урока: изучение нового материала.
Ход урока.
Актуализация имеющихся знаний.
- Скажите, пожалуйста, откуда берётся электрический ток в розетке?
- Какие виды электростанций вы знаете?
Давайте вместе подумаем о том, какие плюсы и минусы у перечисленных вами электростанций. (Ответы учащихся).
Объяснение нового материала.
Сегодня на уроке мы рассмотрим реакции деления ядер урана и принцип работы атомных электростанций.
У вас на партах лежат листочки с таблицей, которую вы должны будете заполнить в течение нашего урока (Приложение 1). Сейчас запишите в первом столбике, что вы знаете об атомной энергетике, а в течение всего урока во втором столбике вы будете записывать, что нового вы для себя узнали.
Поговорим о реакции расщепления ядра урана, эту реакцию называют цепной ядерной реакцией. Эта реакция интересует нас потому, что при делении ядер урана выделяется большое количество энергии. Для сравнения: 1 грамм урана при делении выделяет столько же тепла, сколько выделяется при сгорании 2,5 килограмм каменного угля.
Слайд 2. На схеме изображено, как ядро урана облучается нейтронами, и оно поглощает один из нейтронов и в результате этого ядро разрывается на два осколка и вылетают два или три свободных нейтрона. Эти нейтроны могут столкнуться с другими ядрами урана, и они также будут делиться. На этом этапе реакции образуются уже шесть или девять свободных нейтронов и т.д. На практике такую реакцию осуществить не так просто.
Слайд 3. Природный уран состоит из смеси двух изотопов: урана с массовым числом 235 (его содержание составляет 0,7% от массы всего урана) и урана с массовым числом 238 (его содержание – 99,3% от массы всего урана). Ядра урана-235 лучше делятся под действием медленных нейтронов, я ядра урана-238 делятся под действием очень быстрых нейтронов (медленные просто поглощаются ядром и превращаются в ядра других атомов).
n → U-238 → U-239 ( β ) → Np-239 ( β ) → Pu-239 →
Ядро атома плутония с массовым числом 239 имеет период полураспада 24000 лет, т.е. он почти стабилен. Поэтому цепная ядерная реакция в природных условиях невозможна.
Для того, чтобы осуществит цепную ядерную реакцию нужно: выделить изотоп урана-235, но это сложный процесс или замедлить нейтроны, чтобы уменьшить поглощения их ядрами урана-238 и реакция будет проходить на уране-235.
Слайд 4. Для того, чтобы цепная ядерная реакция не привела к взрыву, нужно чтобы число освобождённых нейтронов при делении ядер урана было постоянным. Размножение нейтронов характеризуется коэффициентом размножения – К.
К = Ni / Ni-1
Если К>1, такая цепная реакция происходит в виде взрыва, если К<1-эта цепная реакция прекращается. Если К=1-цепная реакция управляемая.
Слайд 5. Уран добывают во многих странах мира, но больше всего запасов урановой руды в Австралии, в Казахстане и в России.
Слайд 6. Уран, прошедший переработку помещают в специальные капсулы-таблетки, а из них формируют стержни - тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) – это топливо для будущей атомной электростанции. Масса урана должна быть около 50 кг
Теперь поговорим о реакторе, кто может сказать, что представляет собой ядерный реактор? (Ответы учащихся)
Слайд 7. Ядерный реактор – это устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция деления ядер урана.
Слайд 8. Снаружи реактор окружён защитной оболочкой, которая задерживает γ – излучение и нейтроны. Эта оболочка выполнена из бетона и железа толщиной больше одного метра.
Ядерный реактор состоит из ядерного горючего – урановые стержни, замедлителя нейтронов (вода, графит), теплоносителя – для вывода энергии, которая образуется при работе реактора. Для управления, регулирования ходом реакции используют стержни из бора или кадмия, которые поглощают нейтроны.
Теперь рассмотрим на каком принципе работает атомная электростанция (Просмотр видеоролика)
Слайд 9. Самая первая цепная ядерная реакция деления ядер урана была осуществлена в США учеными под руководством Энрике Ферми в декабре 1942 года. У нас в стране первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 года, возглавлял эту работу – советский учёный Игорь Васильевич Курчатов.
Одной из главной проблемой на атомных электростанциях являются вопросы безопасности. В современных реакторах используются особые меры безопасности. При чрезвычайных ситуациях, когда нужно быстро остановить цепную реакцию, нужно, нужно «поглотить» выделяемые нейтроны. Для этого используют аварийные стержни из кадмия и бора. Эти стержни автоматически вводятся в активную зону, нейтроны поглощаются, реакция замедляется и прекращается. Аварийные стержни находятся над реактором, удерживаются мощным электромагнитом, что позволяет их мгновенно опустить в активную зону реактора. Для того чтобы охладить активную зону реактора опасном перегреве, используются специальные ёмкости с раствором борной кислоты, которые расположены непосредственно над реактором. Когда реактор перегревается, эта борная кислота из ёмкости самотёком заливается внутрь активной зоны реактора и полностью поглощает нейтроны и охлаждает сам реактор – эта вторая ступень защиты.
Слайд10.Современные атомные электростанции оснащены и третьей ступенью защиты – ловушками. Для того, чтобы атомные электростанции были максимально безопасны, учёные разработали специальные ловушки расплавов, которые находятся под реактором в шахте. Ловушка заполняется специальным веществом, которое называется жертвенный материал. В эту ловушку при пожаре падает расплавленные вещества из активной зоны реактора и реакция мгновенно прекращается. Содержимое ловушки заливается водой, которая предотвращает выход опасных лучей из зоны аварии. Такой ловушкой была впервые оснащена атомная электростанция в Китае, построенная по российскому проекту. Люди, работающие на этих электростанциях, получают облучение за смену меньше, чем при полёте на самолёте. Как видите, вопросы защиты продуманы в нескольких вариантах, такого уровня защиты не было на первых атомных электростанциях.
Одной из главной проблемой в атомной энергетике остаётся хранение и переработка отработанного уранового топлива. Сейчас оно хранится в специальных бассейнах под толщей воды. Но наука не стоит на месте, и сегодня существуют проекты о том, как использовать эти опасные отходы, я предлагаю вам подготовить к следующему уроку сообщение об этих проектах.
Закрепление материала
Запишите во второй части вашей таблицы, кто не успел, что нового вы для себя узнали на этом уроке. (Обсуждение ответов учащихся).
Давайте теперь на основе услышанного на уроке мы определим, какие плюсы и минусы у атомной энергетики. И ответим на очень важный вопрос, а нужны ли атомные электростанции? (Обсуждение ответов учащихся).
Где ещё, кроме атомной энергетики используют цепную ядерную реакцию?
Подведение итогов урока, домашнее задание.
Изучить параграф 88,89. Подготовить сообщение ( «Использование отходов атомных электростанций», «Атомные подводные лодки и ледоколы»).