Конспект урока по физике на тему Ядерный реактор (11 класс)

ЛЕКЦИЯ
Цепная ядерная реакция. Ядерный реактор. Применение ядерной энергии.
Цели урока:
1.Образовательная: Повторить механизм деления ядер урана. Изучить условия протекания цепной ядерной реакции. Рассмотреть устройство и принцип действия ядерного реактора. Рассмотреть возможность использования реакции деления ядер тяжелых элементов для получения энергии и использование этой энергии в мирных и военных целях.
2.Воспитательная: привитие бережного отношения к природным богатствам, экологическое воспитание.
3.Развивающая: развитие коммуникативных качеств, критического мышления, познавательной активности учащихся.
Дополнительный материал: экологические проблемы ядерной энергетики, причины аварии на ЧАЭС.
Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, компьютерные программы: ФИЗИКА 7-11 классы. Практикум. «Физикон»; БЭНП ФИЗИКА 7-11 классы. «Кирилл и Мефодий»; БНП ФИЗИКА 7-11 классы. «1С: ШКОЛА»
Демонстрации: реакции деления тяжёлых ядер, цепная ядерная реакция, принцип действия ядерного реактора, принцип действия атомной бомбы, атомный взрыв.
ПЛАН УРОКА:
1. Организационный момент – 2 мин
2. Повторение изученного материала (работа с презентацией, созданной в программе БЭНП ФИЗИКА 7-11 классы. «Кирилл и Мефодий») – 10 мин
3. Изучение нового материала. Лекция по плану: 30 мин
Определение цепной ядерной реакции. Демонстрация интерактивной модели «Ядерные реакции» программа ФИЗИКА 7-11 классы. Практикум. «Физикон»;
Устройство и принцип действия ядерного реактора. Демонстрация интерактивной модели «Ядерный реактор» программа ФИЗИКА 7-11 классы. Практикум. «Физикон»; БНП ФИЗИКА 7-11 классы. «1С: ШКОЛА»
Ядерное оружие. Демонстрация анимации «Принцип действия атомной бомбы» БНП ФИЗИКА 7-11.
Экологические проблемы ядерной энергетики.Причины и последствия аварии на Чернобыльской АЭС.
4. Подведение итогов урока. Постановка домашнего задания. (Hа дом. §20.1, М№1651, 1636.) – 3 мин.
Ход урока:
1. Повторение изученного материала по предложенной таблице. Программа ФИЗИКА 7-11 “Кирилл и Мефодий»























2. Изучение нового материала.







2.1. Цепные ядерные реакции.
Цепные ядерные реакции. Демонстрация модели «Ядерные превращения» Учебное электронное издание Физика 7-11 практикум, «Физикон»




Деление атомного ядра – это явление распада ядер на несколько более легких атомных ядер. На основе деления тяжелых элементов (урана и плутония) работают атомные электростанции.
Деление тяжелых ядер может происходить посредством цепной реакции, когда при распаде ядра выделяется частицы (нейтроны), способные вызвать реакцию деления других ядер. Цепные реакции возможны, если масса ядерного топлива превышает минимальную критическую массу.

2.2. Принцип работы атомной электростанции. Ядерный реактор. Получение ядерной энергии на АЭС.

Атомные электростанции представляют собой по сути дела тепловые электростанции, на которых для получения пара или горячего газа используется энергия, в ядерном реакторе в результате ядерной цепной реакции.
Вещество, используемое в реакторах для осуществления цепной реакции, называется топливом. Единственное природное ядерное топливо уран; он представляет собой смесь двух изотопов: U-238 (99,3%) и U-235 (0,7%).
Изотоп U-238 (уран-238) может поглощать быстрые нейтроны (их скорость ~ 107 м/с, энергия 1 МэВ) и после цепочки (-распадов превращается в Рu-239 (плутоний-239).
Изотоп U-235 (уран-235) активно поглощает медленные нейтроны (их скорость ~2 103 м/с, энергия 0,025 эВ) и делится на большие осколки (например, на ядра стронция Sr-94 и ядра ксенона Хе-140) и два-три вторичных нейтрона, способных вызвать новые реакции деления: возникает цепная реакция. Таким образом, изотоп уран-235 -основное горючее. Однако ввиду низкого содержания этого изотопа в природном уране последний необходимо обогащать, доводя его содержание до 2-5%.

Принцип работы атомной электростанции. (Демонстрируется модель АЭС Учебное электронное издание Физика 7-11 практикум, «Физикон»)

Схема превращения внутриядерной энергии в электрическую на АЭС показана на рис. 1.













Рис. 1.


Схема атомной электростанции
Главную часть АЭС составляет ядерный реактор 1 (например, уран-графитовый водяного типа), в котором ядерным горючим служит обогащенный уран, замедлителем нейтронов графит, а теплоносителем вода.
Основные части ядерного реактора любого типа активная зона А, где находится ядерное топливо, протекает управляемая цепная реакция ядерного деления и выделяется тепловая энергия; отражатель нейтронов Б, окружающий активную зону; оболочка В биологической защиты от нейтронного и (-излучения, обычно выполненная из бетона с железным наполнителем.
Ядерное топливо в реакторе размещено в тепловыделяющих элементах (ТВЭлах) 2, представляющих собой, как правило, металлические или карбидные пеналы (карбиды-соединения углерода с металлами, а также с кремнием и бором), содержащие уран-235.
В состав реактора входят также блоки замедлителя 3 из графита и регулирующие стержни 4 из бора или кадмия, сильно поглощающие нейтроны. Введение этих стержней в активную зону реактора подавляет цепную реакцию, а выведение, наоборот, активизирует.
В активной зоне реактора находится система труб, по которым прокачивают теплоноситель (воду) 5, поглощающий энергию, выделяемую при ядерной реакции. Вода, находящаяся под давлением 100 атм, нагревается до 270 °С и поступает в парогенератор 6, где отдает большую часть своей внутренней энергии воде второго контура 7 и с помощью насоса 8-1 вновь поступает в активную зону реактора. Вода 7 второго контура в парогенераторе превращается в пар 9, который поступает в паровую турбину 10, приводящую в действие электрогенератор 11.
Через трансформаторы, распределительные устройства и линии электропередачи 12 выработанная электрическая энергия поступает к потребителю.
Прошедший через турбину пар 13 поступает в конденсатор 14, где охлаждается и превращается в воду 7, которая насосом 8-2 подается в парогенератор 6. Охлаждение пара в конденсаторе происходит холодной водой 15 третьего контура, которая через заборное устройство 16 поступает из водоема 17. Пройдя змеевик конденсатора, вода третьего контура либо сбрасывается через трубу 18 в водоем 17, либо частично возвращается в систему охлаждения, пройдя через градирни (устройства для охлаждения воды атмосферным воздухом). Пейзаж с большими «кувшинами» - градирнями характерен для многих АЭС так же, как и ТЭС или ТЭЦ.

(Демонстрация интерактивной модели «Принцип действия ядерного реактора. БНП ФИЗИКА 7-11 «Дрофа»)

















2.3. Ядерное оружие. (Демонстрация анимации «Принцип действия атомной бомбы» БНП ФИЗИКА 7-11 «Дрофа»)
















2.4. Экологические проблемы ядерной энергетики.
Положительный экологический фактор, связанный с работой АЭС, небольшой выброс вредных веществ в атмосферу.
Отрицательных несколько.
Первый и самый очевидный вид «порчи» окружающей среды атомными электростанциями тепловое загрязнение.
Тепловые потери АЭС в 1 ,5 раза больше, чем ТЭС аналогичной мощности; поэтому КПД атомных электростанций невелик (2025%), и их работа сопровождается «сбросом» огромного количества теплоты в воздух и воду.
Тепловое загрязнение изменяет климат региона, где расположена АЭС. Увеличивается влажность воздуха, особенно в осенне-зимний период, что неблагоприятно влияет на здоровье людей, на состояние посевов, лесов, зданий и сооружений, в том числе распределительных устройств и линий электропередач.
Повышение температуры естественных водоемов, куда сбрасывают теплую воду из систем охлаждения станций, приводит к снижению концентрации растворенного в воде кислорода, что угнетает развитие рыбной молоди и приводит к гибели рыб. В нагретой теплой воде водоемов происходит бурное развитие сине-зеленых водорослей, наступает «цветение» воды; это явление, получившее название эвтрофизации, делает невозможным использование таких водоемов для питьевого водоснабжения.
Второй фактор наличие радиоактивных отходов.
Экологические проблемы возникают на всех этапах топливного цикла. Рассмотрим этап А.
Урановая руда добывается на рудниках подземным или открытым способом. Как и любая другая отрасль горнодобывающего производства, она ухудшает окружающую среду, выводя из хозяйственного использования значительные территории, изменяя ландшафт и гидрологический режим, загрязняя воздух, почву, поверхностные и подземные воды. Разработка урановых месторождений усугубляет эти проблемы тем, что на поверхности оказываются природные радионуклиды с большим периодом полураспада, что повышает радиоактивность особенно в отвалах рудной породы. Отходы на стадии добычи и первичной переработки природного урана очень велики и составляют 99,8%.
Использование воды в процессах добычи урановой руды и ее первичной переработки создает проблему безопасного хранения и утилизации жидких отходов, содержащих токсичные радиоактивные вещества. Из резервуаров для хранения жидких отходов радиоактивные вещества могут попадать в грунтовые воды и расположенные рядом поверхностные водоемы.
Многие сторонники ядерной энергетики утверждают: сами АЭС при их нормальной работе полностью безопасны и не создают особых экологических проблем. Думается, что это не совсем так. Ведь даже при нормальном функционировании обычных АЭС определенное количество радионуклидов выделяется в воздух. Вот как это происходит. Радиоактивный изотоп йод-135 (один из главных продуктов распада в работающем ядерном реакторе) не накапливается в составе отработанного топлива, поскольку его период полураспада мал и составляет всего 6,7 ч; он в результате ряда радиоактивных распадов превращается в радиоактивный газ ксенон-135, активно поглощающий нейтроны и потому препятствующий цепной реакции. Для предотвращения «ксенонового отравления» реактора радиоактивный ксенон постоянно удаляют из реактора через высокую трубу.
Небольшое количество радионуклидов поступает в водоем вместе со сбрасываемой водой.
Хотя эти радиационные выбросы в воздух и воду при нормальной работе АЭС невелики, благодаря аккумулирующему эффекту они могут оказывать неблагоприятное воздействие на живые организмы, а также на людей, работающих на станции или живущих в зоне ее расположения.
Твердые и жидкие отходы, возникающие при регенерации ядерного топлива, обладают очень высокой радиоактивностью и требуют специальной переработки и специального захоронения в целях обеспечения безопасности.
Имеются серьезные основания считать, что все существующие в настоящее время методы обезвреживания радиоактивных отходов (РАО), в том числе химические, недостаточно надежны и представляют собой источник постоянной опасности для жизни во всех пространственных структурах биосферы.
Кроме того, по данным Госатомнадзора, мощности крупнейших в России предприятий по переработке и хранению РАО (ПО «Маяк» и Красноярский горно-химический комбинат) уже использованы на 5070%.
На всех работающих до последнего времени в России предприятиях по добыче и переработке урановых руд в отвалах и хранилищах находится 108 м3 РАО с активностью 1,8 105 Ки (Ки - кюри внесистемная единица радиоактивности; 1 Ки = 3,7 10'° распадов за 1 с). На сегодня в России накоплено более 14 тыс. т отработанного ядерного топлива АЭС (без учета отработанного топлива транспортных установок) с радиоактивностью 45 млрд. Ки, что в 900 (!) раз больше радиоактивности выброса при взрыве четвертого энергоблока Чернобыльской АЭС.
Третий фактор - радиоактивные излучения (РИ): они самая главная опасность атомной энергетики, существующая, как следует из вышесказанного, на всех этапах топливного цикла и работы АЭС. РИ оказывают пагубное воздействие на все живые организмы.
















Механизм биологического действия РИ сложен и до конца не изучен. Ионизация и возбуждение атомов и молекул живых тканей, происходящие при поглощении последними излучений, лишь начальный этап в сложной цепи последующих биохимических превращений. Установлено, что ионизация приводит к разрыву молекулярных связей, изменению структуры химических соединений и, в конечном счете, к разрушению нуклеиновых кислот и белка. Под действием радиации поражаются клетки тканей, прежде всего их ядра, нарушаются способность клеток к делению и обмен веществ в них. Наиболее чувствительны к радиационному воздействию кроветворные органы (костный мозг, селезенка, лимфатические железы), эпителий слизистых оболочек (в частности, кишечника), щитовидная железа. В результате действия радиоактивных излучений на органы человека возникают тяжелейшие заболевания: лучевая болезнь, злокачественные опухоли, приводящие нередко к смертельному исходу. Облучение оказывает сильное влияние на генетический аппарат, приводя к появлению потомства с уродливыми отклонениями или врожденными тяжелыми заболеваниями организма.
Степень биологического воздействия радиации зависит от вида излучения, его интенсивности и продолжительности облучения организма.
Специфическая особенность радиоактивных излучений: они не воспринимаются органами чувств человека и даже при смертельных дозах не вызывают болевых ощущений в момент облучения; в этом их «коварство».
Четвертый фактор аварийные ситуации на ядерных объектах, в том числе на АЭС.
Взрыв четвертого энергоблока Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) одна из таких ситуаций. Он произошел 26 апреля 1986 г. в 01 ч 23 мин 40 с и вызвал прежде всего механическое разрушение верхней защитной плиты реактора (массой 2 тыс. т), топливных кассет и взрывной выброс значительного количества диспергированного ядерного топлива, содержащего более 100 различных радионуклидов.
Первая стадия аварии два взрыва; в течение первого за 1 с радиоактивность реактора возросла в 100 раз, а в ходе второго через 3 с радиоактивность реактора увеличилась в 440 раз.
Вторая стадия аварии (26 апреля -2 мая) горение графитовых стержней.
Третья стадия (26 мая) расплавление ядерного топлива.
В период горения стержней температура внутри реактора не опускалась ниже 1500°С, а после 2 мая стала повышаться, приблизившись к 3000°С, что вызвало расплавление оставшегося ядерного топлива (цирконий, из которого изготавливают ТВЭЛы для всех типов реакторов, имеет температуру плавления 1852°С). Горение реактора (хотя и с меньшей силой) продолжалось до 10 мая.
Отечественные эксперты по атомной энергетике установили главную причину аварии: взрыв на ЧАЭС стал результатом инженерно-конструкторского дефекта технической схемы водографитового реактора серии РБМК (Реактор Большой Мощности Кипящий). Реактор этого типа имеет борсодержащие стержни-поглотители нейтронов с графитовыми цилиндрами-концевиками. При выводе стержней из реактора увеличивается количество тепловых нейтронов (а именно на них работает реактор). Поэтому в первый момент после нажатия кнопки аварийной остановки реактора происходит не снижение скорости реакции, а, наоборот, ее активация в нижней части устройства. Это и вызвало неконтролируемый «разгон» реактора при работе на запредельной мощности в момент аварии. Конструкция реактора не могла обеспечить его остановку в этих условиях.
Для безаварийного функционирования АЭС очень важен человеческий фактор. Именно он стал второй причиной аварии на ЧАЭС. Преступное пренебрежение правилами работы и техникой безопасности, допущенное частью персонала, сыграло свою пагубную роль.


















2.5. Некоторые данные и следствия аварии на Чернобыльской АЭС.
По официальным оценкам радиоактивность, «выброшенная» из чернобыльского реактора, равнялась 50 млн. Ки. Это значение явно занижено, поскольку определено по данным, полученным к 6 мая, и не учитывало большей части короткоживущих радионуклидов, в том числе йода-131, период полураспада которого равен 8,1 сут. и который также чрезвычайно опасен. Неправильная оценка ситуации не позволила принять необходимые меры безопасности.
Как установили эксперты, при аварии на ЧАЭС 3,5% продуктов деления в реакторе (это 63 кг) было выброшено в атмосферу; для сравнения укажем: в результате взрыва атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму, образовалось всего 0,74 кг радиоактивных «отходов».
В момент взрыва образовалось огромное (высотой 2 км) облако радиоактивностью в десятки миллионов кюри, состоящее из аэрозолей диспергированных «горячих» частиц ядерного топлива, смешанных с радиоактивными газами.
На территории четвертого блока после взрыва оказались крупные обломки топливных кассет и графита, которые ликвидаторы последствий аварии собирали бульдозерами и лопатами (!). По всей территории станции были разбросаны сплавившиеся с асфальтом более мелкие куски ядерного топлива, которые невозможно было собрать.
В западном и северо-западном направлениях, куда стало распространяться первое самое концентрированное облако горячих радиоактивных частиц и радиоактивных газов, не оказалось городов и больших населенных пунктов, но изменение направления ветра на 180° через неделю, когда еще продолжалось истечение высокорадиоактивной газоаэрозольной струи из зоны реактора, привело к широкому разбросу радиоактивных продуктов.
По оси перемещения взрывного радиоактивного облака уже через несколько дней после взрыва стала появляться пятикилометровая полоса умирающего леса, названного «рыжим лесом», так как иглы сосен изменили свой цвет с зеленого на желто-красный. Образовалась полоса мертвого леса, где кроны деревьев получили дозы в 1000011 700 рад (рад радиационная адсорбированная доза одна из внесистемных единиц поглощенной дозы излучения), что на порядок выше летальных доз для растительности; она заняла площадь 38 км2. В этом лесу погибли все мелкие млекопитающие.
Жидкими осадками и сухими выпадениями вдоль «чернобыльского следа» произошло заражение водоемов и почвы.
После того, как из окружающей среды исчезли короткоживущие радиоактивные изотопы, главную опасность стала представлять радиоактивная пыль из сухих частиц ядерного топлива, поскольку она могла легко подниматься ветром и попадать в легкие. Даже спустя 5 лет у диких млекопитающих (лосей, кабанов и др.), обитавших в зоне отчуждения, были обнаружены в тканях легких до 25 000 таких частиц на 1 кг ткани.
Согласно официальным данным, общая загрязненная радионуклидами площадь с показателем 0,2 мР/ч (фоновое допустимое значение 0,01 мР/ч) в первые после аварии дни составила 200 тыс. км», а площадь зоны с уровнем загрязнения 15 Ки/км2 по цезию-137 (в 100 раз выше среднего по стране) оказалась равной ~ 10 тыс. км2. На территории последней проживали почти четверть миллиона человек.
Лишь спустя несколько лет после катастрофы в печати появляются некоторые данные о тех изменениях в живых организмах, которые произошли в результате облучения во время и после чернобыльской аварии. Стало известно, что в 1986 г. йодной профилактикой было охвачено свыше 1,5 млн. детей (1 млн. 694 тыс.). По прогнозу число заболеваний щитовидной железы, в которой избирательно накапливается радиоактивный йод, со временем должно увеличиваться, достигнув пика (увеличения на 40%) через 1315 лет, т.е. в настоящее время.
Последствия Чернобыльской катастрофы проявляются до сих пор. Площадь радиоактивно загрязненных сельскохозяйственных угодий сейчас составляет 3,5 млн га. В 1999 г. наибольшая плотность загрязнения цезием-137 и соответственно более высокие концентрации этого радионуклида в продуктах питания зарегистрированы в Брянской обл. Здесь, а также в некоторых районах Калужской, Орловской и Тульской обл. радиационная обстановка остается по-прежнему неблагоприятной. Площадь лесных угодий, загрязненных цезием-137 в результате Чернобыльской аварии, составляет 1 млн. га. Полностью прекратить их использование не представляется возможным; поэтому ведение лесного хозяйства на этих территориях без специальных защитных мероприятий может привести к увеличению облучения людей.
Подводя печальный итог Чернобыльской катастрофы, произошедшей в 1986 г., отметим, что погибло 80 тыс. человек, пострадало более 3 млн человек, из которых 1 млн. дети. Чернобыль принес убытки, сравнимые с бюджетами целых государств, а последствия катастрофы не удастся преодолеть в обозримое время.
Вывод. Дадим его в интерпретации известного ученого-эколога А.Яблокова: «С позиций экологической безопасности страны радиоактивное загрязнение - одна из самых главных угроз. И доля атомных энергетических установок в создании этой угрозы очень значительна. Возможно, мы преувеличиваем, но только один Чернобыль полностью оправдывает это наше мнение».




15

Приложенные файлы

Добавить комментарий