7.5: Ядерна фізика (діяльність)

І. Чому бета-частинки поглинаються листом металу, тоді як гамма-частинки вимагають кілька дюймів свинцю для поглинання? Барбі: Гамма-частинки рухаються зі швидкістю світла. Чим швидше щось рухається, тим складніше зупинитися. Кетлін: Гамма-частинки менші за бета-версії. Саме це ускладнює їх зупинку. Кевін: Бета-частинки заряджені, тому їх легко зупиняють електричні провідники. Які, якщо такі є, з учнів є правильними? Для кожної невірної відповіді надайте коротке пояснення, чому він невірний. Якщо ніхто не має рації, надайте правильну відповідь нижче. ІІ. Чому так важливо не їсти і не пити поблизу радіоактивних матеріалів? Роберт: Ви можете випадково проковтнути деякі радіоактивні матеріали, перш ніж вони згнили. Це може бути небезпечно. Пол: Якщо ваша їжа або напій «потрапляють» від радіоактивних частинок, це може стати шкідливим для споживання. Бетті: Ви можете випадково проковтнути деякі з радіоактивних матеріалів після того, як вони розпалися. Це може бути небезпечно. Які, якщо такі є, з учнів є правильними? Для кожної невірної відповіді надайте коротке пояснення, чому він невірний. Якщо ніхто не має рації, надайте правильну відповідь нижче.
Завершіть наступний гіпотетичний радіоактивний ланцюг правильним процесом розпаду на кожній лінії та правильним ядром у кожній коробці.
Завершіть наступний гіпотетичний радіоактивний ланцюг правильним процесом розпаду на кожній лінії та правильним ядром у кожній коробці.
І. Чому 235U повинен бути відокремлений від 238U при будівництві бомби поділу? Отто: Будь-який 238U в матеріалі бомби поглинає нейтрони, а не буде розщеплений ними. Оскільки нейтрони, необхідні для ланцюгової реакції, виробляються шляхом ділення, будь-який 238U в бомбі призведе до ланцюгової реакції на «фізл». Фріц: 238U не має стільки ядерної енергії, як 235U. Таким чином, бомба була б набагато менш потужною. Лисе: Будь-який 235U в матеріалі бомби буде поглинати нейтрони, а не бути розщепленими ними. Оскільки нейтрони, необхідні для ланцюгової реакції, виробляються шляхом ділення, будь-який 235U в бомбі призведе до ланцюгової реакції на «фізл». Які, якщо такі є, з учнів є правильними? Для кожної невірної відповіді надайте коротке пояснення, чому він невірний. Якщо ніхто не має рації, надайте правильну відповідь нижче. II. Чому ділення бомби не може бути побудована з меншої, ніж критична маса матеріалу, що ділиться? Альберт: Якщо у вас менше критичної маси матеріалу, що ділиться, ви ризикуєте спонтанно підірвати бомбу (чого, очевидно, ви хотіли б уникнути). Едвард: Якщо у вас менше критичної маси матеріалу, що ділиться, ланцюгова реакція, яка змушує бомбу позначати, не відбудеться. Еміль: Якщо у вас менше критичної маси матеріалу, що ділиться, бомба не буде достатньо потужною, щоб що-небудь знищити. Які, якщо такі є, з учнів є правильними? Для кожної невірної відповіді надайте коротке пояснення, чому він невірний. Якщо ніхто не має рації, надайте правильну відповідь нижче. Яке джерело енергії, що виділяється в ділильної бомбі? Міхала: Енергія спочатку зберігається в хімічних зв’язках урану. У міру того, як хімічна реакція розгортається, а уран перетворюється на інші матеріали, ця енергія виділяється. Фіона: Бомба поділу вимагає ланцюгової реакції, опосередкованої нейтронами. Кінетична енергія, або енергія руху, нейтронів забезпечує енергію, що виділяється бомбою. Кіп: Енергія, що виділяється бомбою, обумовлена дуже невеликим зменшенням маси бомбових матеріалів, коли вони зазнають поділу. Це невелике зниження маси енергії еквівалентно величезному вивільненню інших форм енергії. Які, якщо такі є, з учнів є правильними? Для кожної невірної відповіді надайте коротке пояснення, чому він невірний. Якщо ніхто не має рації, надайте правильну відповідь нижче. II. У чому основна відмінність між реакцією поділу та злиття? Ян: Реакції поділу відбуваються на землі, а реакції злиття відбуваються на сонці. Том: Реакції синтезу виділяють більше енергії, ніж реакції поділу. Метт: Реакції синтезу не виділяють шкідливих побічних продуктів, тоді як реакції поділу виділяють різні дуже небезпечні побічні продукти. Які, якщо такі є, з учнів є правильними? Для кожної невірної відповіді надайте коротке пояснення, чому він невірний. Якщо ніхто не має рації, надайте правильну відповідь нижче.
Знайдіть загальну енергію зв’язування для 4He, 3He та 3H.
а. виходячи з цих результатів, скільки енергії потрібно для видалення одного нейтрона з 4He?
б Виходячи з цих результатів, скільки енергії потрібно для видалення одного протона з 4He?
c Уважно поясніть, чому протон легше видалити, ніж нейтрон. Математичний аналіз Знайдіть загальну енергію зв’язування для 56Fe, 55Fe та 55Mn.
а. виходячи з цих результатів, скільки енергії потрібно для видалення одного нейтрона з 56Fe?
б Виходячи з цих результатів, скільки енергії потрібно для видалення одного протона з 56Fe?
c Уважно поясніть, чому протон легше видалити, ніж нейтрон. Математичний аналіз
Знайти енергію зв’язку на нуклеон для 15O і 15N. Виходячи з цих результатів, який з цих двох ізобарів ви очікуєте бути більш рясним за своєю природою? Математичний аналіз
Знайти енергію зв’язку на нуклеон для 13C і 13N. Виходячи з цих результатів, який з цих двох ізобарів ви очікуєте бути більш рясним за своєю природою? Математичний аналіз 28Al має період напіврозпаду 2.24 хвилин.
а. що таке?
б Який відсоток даної вибірки залишиться після 1,0 години? Математичний аналіз Тритій, 3H, має період напіввиведення 12,3 років.
а. що таке?
б Який відсоток даної вибірки залишиться після 50 рік? Математичний аналіз Радіоактивний зразок розпадається зі швидкістю 500 в секунду. Через 1 годину норма знизилася до 225 в секунду.
a Що таке період напіврозпаду зразка?
б. якою буде швидкість розпаду через 2 години?
c Який відсоток вибірки залишиться через 10 годин? Математичний аналіз Зразок 2,00 мКі 131I має період напіврозпаду 8.04 днів.
а Якою буде швидкість розпаду через 30 днів?
б Який відсоток вибірки залишиться через 30 днів? Математичний аналіз Природний калій містить 0,012 відсотка 40K, який має період напіввиведення 1,3 х 109 років.
а. яка активність 1,0 кг калію?
б Яким був відсоток 40 К природного калію 4,4 х 109 років тому? Математичний аналіз
У людини на кілограм маси тіла припадає близько 2,5 г калію. В середньому 150 г банана містить близько 0,5 г калію. Природний калій містить 0,012 відсотка 40K, який має період напіввиведення 1,3 х 109 років.
а. яка активність 70 кг людини внаслідок розпаду 40К?
б. якщо він їсть банан, на який відсоток збільшується його активність? (Це збільшення активності триває близько 3 годин, поки його нирки не усунуть надлишок калію.)

Математичний аналіз Шматок дерева з нещодавно зрізаного дерева показує 13 14° C розпаду в хвилину. Стара рукоятка сокири тієї ж маси показує 3 розпаду в хвилину. Скільки років рукоятці сокири? Період напіввиведення 14C становить 5730 років. Математичний аналіз
Зразок деревного вугілля з стародавньої пожежної ями має масу 0,36 г і по суті є чистим вуглецем. Виміряна активність зразка становить 0,01 Бк. Скільки років зразку? У навколишньому середовищі близько одного атома вуглецю в 7,7 х 1011 становить 14С. Період напіввиведення 14C становить 5730 років. Математичний аналіз Зразок шкіри з гробниці спалюють для отримання 0,12 г вуглецю. Виміряна активність зразка становить 0,012 Бк. Скільки років зразку? У навколишньому середовищі близько одного атома вуглецю в 7,7 х 1011 становить 14С. Період напіввиведення 14C становить 5730 років. Математичний аналіз
У датування уран-свинцю дві незалежні оцінки віку для однієї і тієї ж речовини можуть бути зроблені шляхом порівняння співвідношення специфічних ізотопів свинцю і урану в зразку. 238U розпадається до 206Pb через 14-ступінчастий процес, який має загальний період напіврозпаду 4.47 x 109 рік. 235U розпадається до 207Pb через 11- крок процесу, який має загальний період напіврозпаду 704 х 106 рік. Крім вибухів наднових, ці ізотопи свинцю утворюються лише цими процесами. Таким чином, співвідношення свинцю до урану в зразку може бути використано для визначення віку зразка. Розглянемо зразок циркону, який містить 8 атомів 206Pb на кожні 100 238U атомів і 62 207Pb атомів на кожні 100 235U атомів.
а Який вік вибірки на основі кількості 206Pb присутній?
б Який вік вибірки на основі кількості 207Pb присутній?
c Як би ви повідомили про вік цього зразка? Математичний аналіз
230th піддається альфа-розпаду з періодом напіврозпаду 75 400 років. Розглянемо 1 кг проби чистого 230го.
а Яка вихідна потужність (у Вт) цього зразка?
б Скільки часу знадобиться для того, щоб активність знизилася до 1 розпадку/с?
c Яка кінетична енергія випромінюваної альфа-частинки? Математичний аналіз
239Pu піддається альфа-розпаду з періодом напіврозпаду 24,100 років. Розглянемо 1 г зразка чистого 239Pu.
а Яка вихідна потужність (у Вт) цього зразка?
б Скільки часу знадобиться для того, щоб активність знизилася до 1 розпадку/с?
c Яка кінетична енергія випромінюваної альфа-частинки? Математичний аналіз

211Rn піддається альфа-розпаду з періодом напіврозпаду 14,6 ч Розглянемо 0.01 моль зразка чистого 211Rn.
а. яка початкова активність цієї вибірки?
б Скільки часу знадобиться, щоб вихідна потужність цього зразка знизилася до 1% від його початкового значення?
c Яка кінетична енергія випромінюваної альфа-частинки? Математичний аналіз
Життєво важливим компонентом побутових детекторів диму є дуже мала кількість (~ 35 кБк) америцію-241 (241Am). (Цей елемент був відкритий в 1945 році під час Манхеттенського проекту. Перший зразок америція був отриманий шляхом бомбардування плутонію нейтронами в ядерному реакторі в Чиказькому університеті. Як ніби ви дбали.) 241Am піддається альфа-розпаду з періодом напіврозпаду 432 років.
a Скільки часу знадобиться, щоб активність знизилася до 1 розпадку/с (1 Бк)?
б Яка вихідна потужність (у Ваттах) цього зразка?
c Скільки грамів 241Am в типовому детекторі диму? Математичний аналіз 24Na нестійкий.
а. як він може розпастися? Обчисліть значення Q для кожного розпаду.
б. який розпад домінує? Математичний аналіз
28Al нестійкий.
а. як він може розпастися? Обчисліть значення Q для кожного розпаду.
б. який розпад домінує? Математичний аналіз 18F нестійкий.
а. як він може розпастися? Обчисліть значення Q для кожного розпаду.
б. який розпад домінує? Математичний аналіз 32P нестійкий.
а. як він може розпастися? Обчисліть значення Q для кожного розпаду.
б. який розпад домінує? Математичний аналіз 36Cl нестабільний.
а. як він може розпастися? Обчисліть значення Q для кожного розпаду.
б. який розпад домінує? Математичний аналіз 58Co нестійкий.
а. як він може розпастися? Обчисліть значення Q для кожного розпаду.
б. який розпад домінує? Математичний аналіз Атомні маси 3918Ар, 3919К і 3920Са складають 38,964315u, 38.963999u і 38,970718u.
а Які з них є стабільними?
б. як розпадатиметься кожне нестабільне ядро? Математичний аналіз
Атомні маси 8134Se, 8135Br, 8136Kr і 8137Rb становлять 80.917990u, 80.916289u, 80.916589u і 80.918990u.
а Які з них є стабільними?
б. як розпадатиметься кожне нестабільне ядро? Математичний аналіз
40K зазнає всі три бета-розпаду: 89% часу бета-мінус, 11% часу захоплення електронів і дуже рідко бета-плюс.
a. знайти значення Q для кожного розпаду.
b. знайти середньозважене значення Q для 40K розпаду. У людини на кілограм маси тіла припадає близько 2,5 г калію. В середньому 150 г банана містить близько 0,5 г калію. Природний калій містить 0,012 відсотка 40K, який має період напіввиведення 1,3 х 109 років.
c Яка середня вихідна потужність людини 80 кг внаслідок розпаду 40K?
d Скільки бананів знадобиться, щоб запалити лампочку потужністю 60 Вт? Припустимо, що вся вихідна потужність 40K якось спрямована в лампочку. Математичний аналіз
При позитронно-емісійної томографії (ПЕТ-сканування) в організм вводиться радіоактивний ізотоп, який випромінює позитрони. При розпаді випромінюваний позитрон відразу ж анігілює сусіднім електроном, що випускає пару протилежно спрямованих гамма-променів. Виявлення цих гамма-променів дозволяє точно визначити місце розпаду. Для сканування мозку загальним простежувачем є глюкоза, що включає невелику кількість (приблизно 1,0 х 10-9 г) 11C, період напіввиведення якої становить 20 хв. (Глюкоза може перетнути гематоенцефалічний бар’єр і потрапити в мозок.)
a. знайти значення Q для розпаду 11C.
б Яка вихідна потужність внаслідок розпаду 11C?
c Яка загальна енергія, що виділяється в мозок внаслідок розпаду 11С? Математичний аналіз 14С піддається бета-мінус розпаду.
а Яка максимальна кінетична енергія випромінюваного електрона?
б. припускаючи, що початкове і кінцеве ядра знаходяться в стані спокою, а маса нейтрино дорівнює нулю, знайдіть кінетичну енергію випромінюваного електрона. Математичний аналіз 11Be піддається бета-мінус розпаду.
а Яка максимальна кінетична енергія випромінюваного електрона?
б. припускаючи, що початкове і кінцеве ядра знаходяться в стані спокою, а маса нейтрино дорівнює нулю, знайдіть кінетичну енергію випромінюваного електрона. Математичний аналіз 15О піддається бета-плюсовому розпаду.
а. яка максимальна кінетична енергія випромінюваного позитрона?
б. припускаючи, що початкове і кінцеве ядра знаходяться в стані спокою, а маса нейтрино дорівнює нулю, знайдіть кінетичну енергію випромінюваного позитрона. Математичний аналіз
Розглянемо реакцію

захоплення нейтрино а. визначити кінцевий продукт реакції.
б Яке значення Q для реакції?
c Яке мінімальне значення кінетичної енергії має мати нейтрино, щоб ця реакція відбулася? Математичний аналіз
Розглянемо реакцію

захоплення нейтрино а. визначити кінцевий продукт реакції.
б Яке значення Q для реакції?
c Яке мінімальне значення кінетичної енергії має мати нейтрино, щоб ця реакція відбулася? Математичний аналіз Розглянемо реакцію

захоплення антинейтрино а Визначити кінцевий продукт реакції.
б Яке значення Q для реакції?
c Яке мінімальне значення кінетичної енергії має мати антинейтрино, щоб ця реакція відбулася? Математичний аналіз Розглянемо реакцію ділення:

a. знайти Q для цієї реакції.
б Загальна енергія, що виділяється бомбою поділу, скинутої на Хіросіму, була еквівалентна хімічній енергії в 15 кілотонн тротилу, приблизно 60 х 1012 Дж. Виходячи з цієї кількості енергії, скільки кілограмів урану зазнали поділу в бомбі? (Бомба фактично містила 64 кг урану.)
c Реакції поділу відбувалися протягом приблизно 10-12 с. Якою була потужність бомби Хіросіми? Порівняйте цю потужність з вихідною потужністю сонця. Математичний аналіз
На додаток до 235U, поділ також може бути індукований в 239Pu. Однак плутоній природним шляхом не існує. Для створення плутонію 238U бомбардують нейтронами. (99,3% всього природного урану становить 238U, майже всі залишки 235U.)

а. завершити вищевказану реакцію, чітко показуючи, як утворюється 239Pu.
b. знайти Q для повної реакції. Математичний аналіз Розглянемо реакцію ділення:

a. знайти Q для цієї реакції.
б Типова електростанція виробляє близько 20 МВт потужності. Скільки кг плутонію має піддаватися поділу на рік, щоб забезпечити цю енергію? Припустимо, що близько 30% енергії, що виділяється при діленні, перетворюється в електрику. Математичний аналіз
Протонно-протонний цикл (або цикл p-p) відповідає за вироблення енергії на сонці. Цикл складається з наступних етапів:

Повний цикл складається з кроку I двічі, етапу II двічі, а потім крок III. Зверніть увагу, що ці п’ять кроків призводять до створення єдиного ядра 4He (і двох позитронів).
a. знайти Q для цього циклу. (Підказка: Замість того, щоб знайти Q для кожного кроку циклу, просто знайдіть Q між кінцевим кінцевим станом і повним початковим станом циклу.)
б. створений цим циклом позитрон дуже швидко знищується з електроном на сонці. Додайте енергію, що виділяється цією анігіляцією, до Q, знайденого вище для «загального» Q циклу p-p.
с. виходячи із загального Q вище, визначте кількість p-p циклів, що відбуваються в секунду на сонці. Математичний аналіз
Вуглецевий цикл відповідає за вироблення енергії у зірок набагато більших за сонце. Цикл складається з наступних етапів:

Зверніть увагу, що чистим ефектом цього циклу є створення єдиного ядра 4He (і двох позитронів). Вуглець служить виключно каталізатором реакції. Цикл вуглецю прогресує набагато швидше, ніж цикл p-p, описаний в попередній задачі, і є домінуючим джерелом енергії для великих зірок.
a. знайти Q для цього циклу. (Підказка: Замість того, щоб знайти Q для кожного кроку циклу, просто знайдіть Q між кінцевим кінцевим станом і повним початковим станом циклу.)
б. два позитрони, створені цим циклом, дуже швидко знищуються електронами. Додайте енергію, що виділяється цими анігіляціями, до Q, знайденого вище, для «загального» Q вуглецевого циклу.
c Виходячи із загального Q вище, визначте кількість вуглецевих циклів, що відбуваються в секунду в зірці в десять разів потужнішою, ніж сонце. Математичний аналіз
Найбільш перспективною реакцією синтезу для виробництва електричної енергії є реакція дейтерію (2H) -тритій (3H) або D-T:

Тритій – радіоактивна форма водню, яку потрібно було б штучно виготовляти, але цей процес технологічно простий порівняно зі створенням умов, необхідних для синтезу D-T.
a. знайти Q для цієї реакції.
б. альфа-частинка несе близько 20%, а нейтрон 80% виділеної енергії. Енергія, яку переносить альфа (оскільки вона заряджена), може бути легко захоплена. Захоплення енергії нейтрона набагато складніше. Обчисліть швидкість нейтрона.
c Одна зі схем захоплення енергії нейтронів полягає в тому, щоб реактор був оточений у ковдрі з рідкого літію товщиною 1 м. Наступна реакція відбудеться:

Конспект уроку з теми: “Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор”.

Конспект уроку з теми: “Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор”. Тип уроку : вивчення нового матеріалу.

Т ема: Ланцюгова реакція. Ядерний реактор

– ознайомити учнів з розподілом ядер урану, що дозво ­ ляє одержати велику кількість ядерної енергії; пояснити будо ­ ву й принцип дії ядерного реактора.

– розвивати творче мислення, технічну компетентність.

– виховувати бережливе ставлення до навколишнього світу, бережливе ставлення до природних ресурсів.

Міжпредметні зв’язки: хімія, екологія,математика,географія.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Обладнання: роздаткові матеріали ( таблиці Менделєєва, перевірочні самостійні роботи ), підручники, комп ’ ютерна презентація, відеофрагмент.

І. Організаційний момент.(1 хвилина)

ІІ. Актуалізація опорних знань (5 хвилин) (вправа «заморочки з бочки»):

1. Які частинки входять до складу ядра атома?

4. Дати означення радіоактивності.

5. Які елементи є радіоактивними?

6. Які є види радіоактивного випромінювання?

7. Записати реакцію альфа-розпаду

8. Записати реакцію бета-розпаду

9. Фізична природа гамма-випромінювання.

10.Що відбувається з ядром атома при випромінювання альфа-частинки?

11. Що відбувається з ядром атома при випромінюванні бета-частинки?

12. В порядку зростання активності перелічити види радіоактивного випромінювання.

13.Дати означення ізотопів.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу. (30 хв)

Ядерну реакцію поділу атомних ядер уперше спостерігали у 1939 р. німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрасман. Вони встановили, що під час бомбардування ядер атомів Урану нейтронами вони діляться на дві приблизно однакові частинки .

Внаслідок кожного такого поділу вивільняється 2—3 нейтрони і близько 200 МеВ енергії. Ф. Жоліо-Кюрі висловив думку, що під впливом потоку вивільнених нейтронів ядерна реакція поділу ядер атомів Урану може розвиватися як ланцюгова.

Ядерною ланцюговою реакцією називають реакцію, в якій частинки (нейтрони), що спричиняють її, утворюються як продукти цієї реакції .

Щоб ланцюгова реакція розвивалася, потрібно підтримувати незмінним потік нейтронів і створити умови для їх проникнення в ядра атомів Урану. З цією метою треба достатню масу Урану вміщувати в обмеженому просторі, створювати так звані критичні умови. Тоді нейтрони потраплятимуть в ядра, викликаючи подальший їх поділ.

Мінімальну масу, за якої ланцюгова реакція відбувається самочинно, називають критичною.

Для чистого Урану U, що має форму кулі, критична маса приблизно дорівнює 50 кг. Радіус такої кулі дорівнює приблизно 9см.

Здійснення ланцюгової реакції поділу ядер атомів Урану — досить складний процес. Адже повільні нейтрони, що вивільняються в процесі ядерної реакції, можуть викликати поділ лише ядер 235 ₉₂ U; для поділу ядер 238 ₉₂ U потрібні швидкі нейтрони з енергією понад 1 МеВ. Оскільки природний Уран складається з двох нуклонів — 99,3 % Урану-238 і лише 0,7 % Урану-235, то для підтримання ланцюгової ядерної реакції необхідно задовольнити принаймні дві умови: досягти критичної маси і забезпечити достатнє число вивільнених нейтронів для підтримання реакції, яке б не зменшувалося з часом.

Керовані ланцюгові ядерні реакції використовуються в ядернних реакторах.

Пристрій, в якому підтримується керована реакція поділу ядер, називається ядерним (атомним) реактором .

Ядерний реактор складається з:

активної зони, де відбувається ядерна реакція,

турбіни та електричного генератора.

Принцип його дії полягає у використанні вивільненої внаслідок ядерної реакції енергії для здобутті електричної напруги.
В активну зону завантажують ядерне паливо — збагачений Уран у вигляді тепловидільних елементів (ТВЕЛів), які утворюють правильну ґратку, і речовину, що гальмує нейтрони (графіт або так звану важку воду), оскільки ядра нукліда урану-235 краще захоплюють повільні нейтрони.

Реактор на швидких нейтронах (реактори-розмножувачі) не можуть працювати на природному урані, але використовують його для утворення значної кількості Плутонію , який потім можна використовувати як ядерне паливо. Ці реактори називаються реакторами-розмножувачами, оскільки вони відтворюють матеріал, який ділиться.

У свою чергу, нестійкий нуклід нептунію перетворюється на відносно стабільний Плутоній

Реактор на повільних нейтронах. Найбільш ефективний поділ ядер Урану відбувається під дією повільних нейтронів. Такі реактори називаються реакторами на повільних нейтронах. Вторинні нейтрони, які утворюються в результаті реакції поділу, є швидкими. Для того щоб їхня наступна взаємодія з ядрами Урану в ланцюговій реакції була найбільш ефективною, їх сповільнюють, вводячи в активну зону сповільнювач — речовину, яка зменшує кінетичну енергію нейтронів.

Від повного поділу всіх ядер 1г Урану виділяється 2,3·10 кВт·год енергії, яка еквівалентна енергії, що утворюється від спалювання 3т вугілля, або 2,5т нафти.

Щоб ланцюгова реакція була керованою, необхідно регулювати число нейтронів в активній зоні. З цією метою до неї вводять регулювальні стрижні з матеріалу, який добре вбирає нейтрони (Кадмій, Бор). Зміною глибини їх введення регулюють потік нейтронів, а отже, керують перебігом ланцюгової реакції.

Енергія, що виділяється в результаті поділу ядер атомів Урану, за допомогою теплоносія передається парогенератору.

Вироблена ним водяна пара спрямовується на лопаті парової турбіни, сполученої з генератором, який виробляє електроенергію. Так після кількох перетворень енергія, що вивільняється внаслідок поділу атомних ядер, стає електричною. Електромережами вона потрапляє до споживачів.

Потужність ядерного реактора в 1 МВт відповідає ланцюговій реакції, за якої відбувається

3 ∙ 10 16 актів поділу ядер Урану за 1 с.

Основні елементи ядерного реактора:

• ядерне паливо ( U, Pu, U); сповільнювач нейтронів (важка або звичайна вода, графіт);
• теплоносій для виведення енергії, що утворюється під час роботи реактора (вода, рідкий натрій);
• пристрій для регулювання швидкості реакції (стрижні, які вводять у робочий простір реактора; вони містять Кадмій чи Бор – речовини, які добре поглинають нейтрони).

Зовні реактор оточують захисною оболонкою, що затримує γ-проміння і нейтрони. Її роблять з бетону із залізним заповнювачем.

Перша ядерна реакція була здійснена у США у грудні 1942 році колективом вчених під керівництвом Енріко Фермі.

У Радянському Союзі перший ядерний реактор було запущено 25 грудня 1946 року колективом фізиків під керівництвом І. В. Курчатова.

Ядерні реактори є основою атомних електростанцій (АЕС). Нині у світі налічується понад 1000 ядерних енергетичних установок. Атомна енергетика вважається економічно найвигіднішою і високотехнологічною. Вона використовує останні досягнення науки, сучасні автоматизовані системи керування технологічним процесом на основі ЕОМ, потребує високої кваліфікації працівників. Експлуатація АЕС потребує запровадження широкого спектра засобів контролю і радіаційної безпеки, оскільки в разі нехтування ними наслідки можуть бути катастрофічними. 26 квітня 1986 р. внаслідок грубого порушення технологічного циклу роботи ядерного реактора на Чорнобильській АЕС сталася аварія. Загинули люди, наслідки цієї трагедії відчуваються досі.

(Перегляд відео фрагментів « Ядерний реактор», «Схема роботи ядерного реактора»).

Доповідь учня на тему: «Використання ядерних реакторів».

При розподілі важких ядер атомів під час ядерних реакцій виділяється велика кількість енергії. Проте вдалося встановити, що при злитті легких ядер виділяється ще більшу кількість енергії. Такі реакції назвали термоядерними.

Термоядерні реакції — це реакції злиття легких ядер, що протікають при високих температурах з виділенням великої кількості енергії. Синтез гелію з водню протікає при t = 108 ˚ К. При синтезі одного грама гелію виділяється 4,2 ∙10 11 Дж. Ця енергія еквівалентна енергії, що виділяється при повному розподілі 4 грамів урану або при спалюванні 10 тонн дизпалива. Термоядерні реакції можна зустріти в зірках, де температура і тиск речовини створюють придатні умови для здійснення злиттів.

У термоядерної реакції синтезу гелію беруть участь ізотопи водню: тритій і дейтерій:

При злитті дейтерію і тритію в ядро гелію виділяється нейтрон і енергія E = 17,6 МеВ.
Ядра , заряджені позитивно , відштовхуються . Їх треба наблизити один до одного на відстань ≈ 10 -14 м. На такій відстані вже починають діяти ядерні сили тяжіння. Наблизити ядра можна так близько лише при великих значення температури. А температури досягти можна лише при ядерній реакції.

Тобто, щоб здійснити термоядерну реакцію, треба провести спочатку ядерну реакцію, і тоді температури буде достатньо для зближення ядер ізотопів водню і здійснення термоядерної реакції. Такий процес був реалізований у водневій бомбі — найпотужнішої з винайдених людиною.
Однак на сьогоднішній день некерована термоядерна реакція — це вже не актуально. Необхідно освоїти керовану термоядерну реакцію, щоб перетворювати одержувану енергію в електричну. Але є проблема. При досягненні температури, достатньої для здійснення реакції злиття легких ядер, речовина вже перестає бути не тільки твердим, рідким або газоподібним, воно стає плазмою.

Тобто, будь-який реактор моментально випарується при таких температурах. Тут потрібно зовсім інший підхід. На сьогоднішній день вдається утримувати плазму на обмеженій території за допомогою надпотужних електричних магнітів. Але повноцінно використовувати одержувану в результаті термоядерної реакції енергію поки не вдається.

Це питання майбутнього, тому що запаси водню, тобто палива, у Всесвіті практично невичерпні, а земні запаси палива, навпаки, підходять до кінця. Керована термоядерна реакція може раз і назавжди позбавити людство від енергетичних проблем.

І\/. Закріплення нових знань.( тест) (7 хв) .

І варіант:

1.Вкажіть частинки, які спричиняють ланцюгову реакцію по ділу ядер Урану:

2.Вкажіть частинки, які вилітають при ланцюговій реакції по ділу ядер Урану разом з ядрами-осколками:

3. Які ядерні реакції відбуваються в ядерних реакторах:

4.В якості паливареактора на тепловых нейтронах використовують:

5. Які перетворення енергії відбуваються в ядерному реакторі:

а) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в механічну енергію;

б) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в електричну енергію;

в) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в кінетичну енергію.

6 . Вода в ядерному реакторі є:

ІІ варіант:

1.Скільки нейтронів утворюється в результаті ланцюгової реакції:

2.Вкажіть частинки, які вилітають при ланцюговій реакції по ділу ядер Урану разом з ядрами-осколками:

3. Регулювальні стрижні в ядерних реакторах регулюють:

а) кількість вільних нейтронів

б) швидкість вільних нейтронів

в) траекторію руху вільних нейтронів

4.В якості палива реактора на повільних нейтронах використовують:

5. Які перетворення енергії відбуваються в ядерному реакторі:

а) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в механічну енергію;

б) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в електричну енергію;

в) Внутрішня енергія атомних ядер перетворюється в кінетичну енергію.

6 . Важка вода( або графіт ) в ядерному реакторі є:

\/. Домашнє завдання. Рефлексія.Оцінювання роботи учнів на уроці. ( 2 хв).

Опрацювати §26 (за підручником).