Тема: Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция

Группа № 31 ФИЗИКА 2 урока

Урок № 12

 

Тема: Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция

Цели: сформировать представление о делении ядер урана и механизме протекания цепной ядерной реакции.

Задачи:

- рассмотреть механизм деления ядра урана;

- рассмотреть условие возникновения цепной ядерной реакции;

- выяснить факторы, влияющие на протекание цепной ядерной реакции;

- формировать умения и навыки работы со справочными таблицами и дополнительной литературой.

ПЛАН

1. Изучение нового материала

2. Решение задач

3. Самостоятельная работа

 

Проработать теоретический материал

Просмотреть видео:

https://yandex.fr/video/preview/?text=деление%20ядер%20урана%20цепная%20ядерная%20реакция%2011%20класс&path=wizard&parent-reqid=1634714259059399-5573862368667158071-man1-2858-d5e-man-l7-balancer-8080-BAL-9666&wiz_type=vital&filmId=12912597927988982944

Теоретический материал

Деление ядер урана

Возможность практического использования ядерной энергии появилась только после открытия реакции деления ядер урана.

В 1940 г. советские физики Г.Н.Флеров и К.А.Петржак обнаружили самопроизвольное деление ядер урана. Примерно в это же время немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман открыли, что ядро урана при бомбардировке его нейтронами образует элементы, расположенные в середине периодической системы Менделеева.

Объяснение этого явления было дано немецким учёным О. Фришем и австрийским физиком Л. Мейнтнер. Они предположили, что ядро урана, захватив медленный нейтрон, превращается в ядро радиоактивного изотопа урана-236, которое распадается на два осколка X и Y, при этом выделяется несколько нейтронов.

В 1938 году немецкими учёными Отто Ганом и Фрицом Штрассманом (см. рис. 1) было открыто явление деления ядер урана под воздействием медленных нейтронов. Использование именно нейтронов в данном эксперименте обусловлено их электронейтральностью. Отсутствие кулоновского отталкивания от протонов в ядре позволяло нейтронам легко в него проникать.

Нейтрон:

Рис. 1. Немецкие учёные

При попадании нейтрона в ядро урана-235 оно деформируется и принимает вытянутую форму. Так как ядерные силы действуют на крайне малых расстояниях, то они не могут противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и оно разрывается на части. При этом излучается 2–3 нейтрона, а осколки, не сильно отличающиеся по массе, разлетаются с огромной скоростью (см. рис. 2).

       

Рис. 2. Деление ядра урана-235

Деление ядра возможно благодаря тому, что масса покоя тяжёлого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникших при делении.

капельная модель ядра Бора-Френкеля

капельная модель ядра Бора-Френкеля

Ядро имеет круглую форму, но, поглотив нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму.

Существует несколько возможных результатов деления ядра урана-235:

1. Распад на барий и криптон с выделением трёх нейтронов:

2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:

Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжёлого ядра, возбуждённого захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые осколками деления.

Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60 % нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.

Самостоятельная работа (решить задачу)

Какое количество угля потребуется сжечь, чтобы получить такое же количество энергии, которое выделится при делении 1 грамма урана.

Домашнее задание: учить § 88.

Ресурсы сети Интернет

1. http://class-fizika.ru/at13.html

 

  Ответ отправить на адрес электронной почты:

[e-mail]

Урок № 13

 

Тема: Ядерный реактор

Цели: рассмотреть устройство и принцип действия ядерного реактора.

Задачи:

- познакомить с устройством ядерного реактора;

- развивать умение логически мыслить;

- создать условия для развития умения структурировать информацию.

ПЛАН

1. Изучение нового материала

2. Самостоятельная работа

Просмотреть видео

https://yandex.fr/video/preview/?text=ядерная%20реактор%2011%20класс%20физика%20кратко&path=wizard&parent-reqid=1634720999477973-15085972319420891999-sas2-0099-sas-l7-balancer-8080-BAL-8562&wiz_type=vital&filmId=4703989110369018457

 

Теоретический материал

Ядерный реактор

Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.

Ядра урана, особенно ядра изотопа , наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны. Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители нейтронов для повышения коэффициента размножения нейтронов. Процессы в ядерном реакторе схематически изображены на рисунке 13.15.

Основные элементы ядерного реактора. На рисунке 13.16 приведена схема энергетической установки с ядерным реактором.

Основными элементами ядерного реактора являются: ядерное горючее (, и др.), замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.), теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.), и устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор — вещества, которые хорошо поглощают нейтроны). Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей γ- лучение и нейтроны. Оболочку делают из бетона с железным заполнителем.

Лучшим замедлителем является тяжелая вода (см. § 102). Обычная вода сама захватывает нейтроны и превращается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем считается также графит, ядра которого не поглощают нейтроны.

Критическая масса. Коэффициент размножения k может стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и соответственно масса урана превышают некоторые критические значения. Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой еще может протекать цепная ядерная реакция.

При малых размерах слишком велика утечка нейтронов через поверхность активной зоны реактора (объем, в котором располагаются стержни с ураном).

С увеличением размеров системы число ядер, участвующих в делении, растет пропорционально объему, а число нейтронов, теряемых вследствие утечки, увеличивается пропорционально площади поверхности. Поэтому, увеличивая размеры системы, можно достичь значения коэффициента размножения k ≈ 1. Система будет иметь критические размеры, если число нейтронов, потерянных вследствие захвата и утечки, равно числу нейтронов, полученных в процессе деления. Критические размеры и соответственно критическая масса определяются типом ядерного горючего, замедлителем и конструктивными особенностями реактора.

Для чистого (без замедлителя) урана , имеющего форму шара, критическая масса примерно равна 50 кг. При этом радиус шара равен примерно 9 см (уран очень тяжелое вещество). Применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.

Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых из активной зоны реактора стержнях k > 1, а при полностью вдвинутых стержнях k < 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Реакторы на быстрых нейтронах. Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. Так как вероятность деления, вызванного быстрыми нейтронами, мала, то такие реакторы не могут работать на естественном уране.

Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15% изотопа . Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать в качестве ядерного топлива. Эти реакторы называются реакторами-размножителями, так как они воспроизводят делящийся материал. Строятся реакторы с коэффициентом воспроизводства до 1,5. Это значит, что в реакторе при делении 1 кг изотопа получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах коэффициент воспроизводства 0,6—0,7.

Первые ядерные реакторы. Впервые цепная ядерная реакция деления урана была осуществлена в США коллективом ученых под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 г.

В нашей стране первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом физиков, который возглавлял наш замечательный ученый Игорь Васильевич Курчатов. В настоящее время созданы различные типы реакторов, отличающихся друг от друга как по мощности, так и по своему назначению.

В ядерных реакторах, кроме ядерного горючего, имеются замедлитель нейтронов и управляющие стержни. Выделяемая энергия отводится теплоносителем.

Самостоятельная работа

Ответить на вопросы

Ресурсы сети Интернет

1. http://class-fizika.ru/11_82.html

2. https://sprint-olympic.ru/uroki/fizika/130167-iadernyi-reaktor-ystroistvo-princip-deistviia.html

3. https://yandex.fr/video/preview/?text=ядерная%20реактор%2011%20класс%20физика%20кратко&path=wizard&parent-reqid=1634720999477973-15085972319420891999-sas2-0099-sas-l7-balancer-8080-BAL-8562&wiz_type=vital&filmId=12543719212886506925

 

Ответ отправить на адрес электронной почты:

[e-mail]

Группа № 31 ФИЗИКА 2 урока

Урок № 12

 

Тема: Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция

Цели: сформировать представление о делении ядер урана и механизме протекания цепной ядерной реакции.

Задачи:

- рассмотреть механизм деления ядра урана;

- рассмотреть условие возникновения цепной ядерной реакции;

- выяснить факторы, влияющие на протекание цепной ядерной реакции;

- формировать умения и навыки работы со справочными таблицами и дополнительной литературой.

ПЛАН

1. Изучение нового материала

2. Решение задач

3. Самостоятельная работа