Цель урока: формирование у учащихся знаний о значении развития атомной энергетики в современном мире.
Задачи урока:
- Обучающие: познакомить с необходимостью использования ядерной энергии в мирных целях, а также с преимуществами и проблемами, связанными с работой АЭС.
- Развивающие:развивать речь, умение анализировать, делать выводы;
- Воспитательные: развивать познавательный интерес школьников к актуальным проблемам современности.
Тип урока: изучение нового материала.
Оборудование:
- учебник «Физика. 9 кл.», авт. А.В.Перышкин, Е.М.Гутник, изд. «Дрофа», 2010, § 77;
- мультимедийный проектор;
- материал для оформления доски на уроке (Приложение 1);
- презентация к уроку;
- карточки для проверки домашнего задания (Приложение 2);
- атлас по географии;
- голосование «за» и «против» (Приложение 3);
- материал для проведения дебатов (Приложение 4).
ХОД УРОКА
1. Организационный момент. (Оформление доски на уроке – Приложение 1)
2. Постановка учебной задачи
(Слайд 1) Сформулируйте, что вы
видите на экране? Что объединяет их? Верно, это
различные по степени опасности факторы, которые
окружают человека в повседневной жизни.
Чтобы определить тему сегодняшнего урока, я
предлагаю вам следующий вопрос: оцените степень
опасности различных факторов повседневной жизни
человека: (Слайд 2) курение, алкоголь,
наркомания, автомобильное ДТП, атомная
энергетика, огнестрельное оружие, полет на
самолете. (Ответы учащихся)
Вы считаете, что атомная энергетика опаснее
всего для человека? (Слайд 3) Почему вы
так считаете? (Ответы учащихся). И поэтому вы
проголосовали на перемене перед уроком «против
развития атомной энергетики»?Давайте обратимся
к статистике ДТП в нашей стране (Слайд 4) На
дорогах России ежегодно гибнет более 30 тыс.
человек, но никто не говорит о том, чтобы
отказаться от автомобиля. Человечество
совершенствует автомобильный транспорт, дороги,
даже законодательство. Гибель россиян в
автомобильных авариях воспринимается
населением без особых эмоций, но если бы гибель
россиян произошла бы в один день в одной аварии
от АЭС – было бы совсем иное. Почему же мы должны
отказываться от наиболее совершенного на
сегодня вида энергии? Чернобыльская трагедия
послужила поводом обсудить не только
последствия катастрофы, но и перспективы атомной
энергетики, которую несмотря на случившуюся
беду, специалисты по–прежнему считают одним из
наиболее экономически выгодных и экологичных
способов получения энергии, тем более что перед
человечеством уже маячит призрак грядущего
энергетического голода из-за истощения
месторождений горючих ископаемых и все больших
экологических потерь при получении
электроэнергии. Подумаем сегодня на тему
«Ядерная энергетика: это смертельная опасность
или жизненная необходимость?». (Слайд 5)
Каким же образом, мы ответим на этот вопрос? (Ответы
учащихся). Посредством географической карты и
учебника физики рассмотрим, в каком масштабе
применяются АЭС в мире и в России; с какими
событиями возникла необходимость поиска новых
источников энергии; какие главные преимущества
АЭС по сравнению с другими ЭС; обсудим главные
проблемы атомной энергетики.
3. Актуализация знаний
Вернемся немного назад, вспомним, с чего началось изучение ядерной энергии. (Слайд 6) На экране расположены открытия, важные этапы развития ядерной энергии. Расположите их в том порядке, в котором они были представлены физиками:
8) Деление ядер урана;
3) Ядерная модель строения атома;
6) Открытие нейтрона;
4) Радиоактивное превращение атомных ядер в
результате α- и β-распадов;
1) Радиоактивность;
2) Открытие α-, β- и γ-частиц;
9) Цепная реакция деления.
7) Состав атомного ядра.
5) Открытие протона.
(Ответы учащихся)
Чем заинтересовала ученых реакция деления ядер тяжелых элементов, например, урана? (Ответы учащихся). Верно, выделяется огромная энергия. При делении 1 кг урана-235 выделяется примерно 1014 Дж, этой энергии хватит чтобы вскипятить 2000 тонн воды, заменяет 2,5 т нефти или 3000 т угля. Поэтому возникает вопрос6 нельзя ли использовать эту энергию? Кстати, до 1940 г. многие ученые, в т. ч. Э. Резерфорд, были убеждены, в том, что ядерная физика представляет чисто научный интерес, не имея при этом никакого практического применения. Но ученые постепенно создавали технические устройства, позволяющие человеку применять ядерную энергию. Что это за устройство? (Ответы учащихся). (Слайд 7) Ядерный реактор – устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции, которая сопровождается выделением огромной энергии. Вспомним устройство и принцип действия. (учащиеся выполняют задания на карточках).
(Слайд 8) (Приложение
2). Задание № 2. Подпишите
основные части реактора и устройства, в которых
происходит преобразование энергии:
– урановые стержни;
– замедлитель нейтронов;
– регулирующие стержни;
– радиационная защита;
– теплоноситель;
– теплообменник;
– паровая турбина;
– генератор;
– конденсатор.
Задание № 3. Из каких веществ соответственно изготавливают данные устройства:
– тепловыделяющий элемент (уран);
– замедлитель нейтронов (графит, вода);
– регулирующие стержни (карбид бора);
– отражатель нейтронов (бериллий);
– радиационная защита (бетон);
– теплоноситель (вода, некоторые органические
жидкости).
Задание № 4. Опишите принцип работы ядерного реактора (АЭС), вставьте правильные слова:
1. Для запуска реактора регулирующие стержни
постепенно выводят из активной зоны;
2. Начинается цепная реакция деления ядер
урана;
3. Энергия, выделяемая в реакции, нагревает
воду.
4. Вода, проходя через теплообменник,
нагревает воду в змеевике (парогенераторе),
превращая ее в пар.
5. Получающийся водяной пар устремляется в паровую
турбину.
6. Пар приводит во вращение ротор генератора
электрического тока.
7. Отработанный пар поступает в конденсатор,
где охлаждается большим количеством воды,
поступающим из водохранилища, превращается в
воду и она снова поступает в парогенератор.
8. Весь цикл повторяется.
9. Задвинув стержни обратно, можно приостановить
цепную реакцию.
(паровая турбина, ротор генератора, конденсатор,
теплообменник, парогенератор, регулирующие
стержни, цепная реакция деления, нагревает,
повторяется, охлаждается, приостановить). (Учащиеся
сдают работы).
4. Изучение нового материала
Кто построил первый ядерный реактор? (Слайд
9) Он был построен в 1942 году в США под
руководством Энрико Ферми. Первый европейский
реактор был построен в России под руководством
И.В. Курчатова в 1946 г. Где используются реакторы?
(Ответы учащихся). (Слайд 10) На
атомных ледоколах, на атомных подводных лодках,
при работе ядерных ракетных двигателей (в
частности на АМС) и, конечно, на АЭС. (Слайд 11) Первая
в мире АЭС была введена в действие в нашей стране
в 1954 г. в г. Обнинске, ее мощность составляла 5 МВт,
современная АЭС (в Японии) – до 8 ГВт. Остановлена
в 2002 г. Эта АЭС безаварийно проработала около 50
лет.
На сегодняшний день АЭС работает уже в 31 стране
мира (учащиеся смотрят географическую карту).
(Слайды 12-13) Самый большой в мире парк
АЭС принадлежит США – 104 энергоблока суммарной
мощностью 100 ГВт. Также мировым лидером по
использованию АЭС является Франция. Серьезные
перспективы в развитии ядерной энергетики
предприняты в Китае. Самые мощные АЭС – в Японии.
Обратите внимание – где, в каких странах АЭС не
строят.
Сколько АЭС в России? Посмотрим на
географическую карту (стр. 12 географического
атласа). Действущих АЭС в России – 10,
перечислите, пожалуйста. (ответы учащихся). (Слайд
14) Молодые Балаковская (Саратовская
область), «Лучшая АЭС в России 2007 г.», а также
Волгодонская в Ростовской области. Одна из
строящихся – первая в мире Плавучая атомная
тепловая электростанция (Слайд 15) в г.
Вилючинске Камчатского края, мощностью 70 МВт,
опытная эксплуатация намечена в 2013 г.
Энергия атома обоснованно остается причиной
серьезных дебатов как среди ученых, так и среди
простых обывателей. Существуют противоположные
мнения о ее надежности, безопасности и
экономической целесообразности. (Слайд 16) В
целом АЭС обеспечивает 17 % мировой выработки
электроэнергии, а остальное – ТЭС 63 %, ГЭС 19 %,
другие ЭС 1%. Был задан вопрос: считаете ли вы
необходимым развивать ядерную энергетику?
Почему ядерная энергетика является по мнению
ученых перспективной? Потребление энергии в мире
растет так быстро, что известные в настоящее
время запасы природного топлива окажутся
исчерпанными в сравнительно короткое время:
запасов угля может хватить примерно на 350 лет,
нефти – на 40 лет, природного газа на 60 лет. Может
человечеству нужно использовать энергию рек,
Солнца, воды, тепла Земли? Ученые рассчитали –
можно обеспечить в лучшем случае только на 5-10 %.
Итак, развиваясь технически, наша цивилизация
требует все больше и больше энергии, и решить эту
проблему помогает ядерная энергия.
5. Физкультминутка (Слайд 17)
6. В системе современной мировой энергетике не существует способов получения электроэнергии, не соприкасающихся с риском возможного вреда. Обсудим проблемы работы АЭС, но начнем с преимуществ АЭС перед другими видами ЭС (ТЭС, ГЭС). (Слайд 18) (учащиеся работают с параграфом учебника). Сделаем выводы: (Слайд 19)
1) Главное преимущество АЭС – практическая независимость от источников топлива из-за небольшого количества используемого топлива. Расходы на перевозку ядерного топлива в отличии от традиционного угля или мазута, ничтожны. 1 кг урана заменяет 30 т угля. ТЭС мощностью 2 ГВт потребляет за сутки 2 железнодорожных состава угля. Запасов урана хватит на много лет.
2) Огромное преимущество – это относительная экологическая чистота. АЭС не потребляет атмосферный кислород и не засоряет среду золой и продуктами сгорания. На ТЭС суммарные выбросы вредных веществ на 1 ГВт мощности составляет от 13 тыс .т в год на газовых до 165 тыс. т на угольных. На АЭС подобные выбросы отсутствуют. ТЭС мощностью 1 ГВт потребляет 8 млн. т кислорода в год для окисления топлива, АЭС кислород вообще не потребляет. Единственное отметим, что АЭС уступает ТЭС по тепловому загрязнению, т.к. используется техническая вода для охлаждения конденсаторов турбин, но АЭС имеют собственные искусственные водохранилища. При сжигании угля, кроме золы и сажи, образуется углекислый газ, создающий парниковый эффект, токсичные газы (серы, например) вызывают кислотные дожди. При использовании ГЭС необходимы огромные водохранилища, уничтожается естественная экосистема, приходится хоронить плодородные земли на дне водохранилищ.
3) С одного реактора АЭС может быть получена
большая мощность (1 ГВт-1,5 ГВт на энергоблок).
Сравните, например, наибольшую мощность на ТЭС по
карте. (ответы учащихся).
Нет другой формы загрязнения окружающей среды,
которая порождала бы такой страх, как радиация.
Ее нельзя увидеть, она не имеет запаха, цвета,
действие ее на организм не предсказуемо, может
быть смертельным. Вы тоже так думаете? (возник
даже термин «радиофобия»). ТЭС вместе с дымом
выводит большое количество радиоактивных
выбросов из-за естественного содержания
радиоактивных элементов (тория, радия, урана и
др.). Какой пример в учебнике? (ответы учащихся) на
зольных полях Рефтинской ТЭС (80 км от г.
Екатеринбурга) за время работы накопилось 7 кг
радиоактивных изотопов. В 1 т золы ТЭС содержится
100 г радиоактивных элементов. Как оценить риск от
АЭС? Только расчетами. Проанализируем таблицу. (Слайды
20-21) Удивлены? Опыт эксплуатации АЭС во
всем мире показывает, что биосфера надежно
защищена от радиоактивного воздействия в
нормальном режиме эксплуатации предприятий
ядерной энергии. Если ситуация на АЭС не выходит
из-под контроля, то их вредное влияние на
здоровье людей сопоставимо с действием ТЭС. Оно
намного ниже, чем влияние природных источников
излучения (например, космические лучи, горные
породы в строительстве). Наибольшие дозы
облучения человек получает при
рентгенодиагностике. Каждый житель Земли в
результате воздействии естественного
радиационного фона получает в среднем 300-500
миллибэр (мбэр) в год. К примеру, ежедневный
трехчасовой просмотр телевизора дает 0,5 мбэр, а
рентген зубов – 3000 мбэр.
Однако, ядерной энергетике, как и многим другим отраслям промышленности, присущи вредные и опасные факторы воздействия на окружающую среду. (Учащиеся работают с параграфом учебника). (Слайд 22)
1) Существенный недостаток АЭС является использование атомных реакторов для производства материалов, из которых можно изготовить ядерное оружие.
2) Необходимо учитывать опасность заражения окружающей среды радиоактивными отходами, образующимися при работе АЭС. Для этого помещают ядерные отходы в толстостенные стальные контейнеры, окруженные бетонной защитой, а затем погружают в глубокие шахты. В США проектируется хранилище в глубине горы Юкка: 5 миль туннель, рассчитан на 10 тыс. лет для захоронения 77 тыс. т ядерных отходов.
3) Нужно отметить, что демонтаж отслуживших свой
срок АЭС (около 40 лет) сложен и экологически
опасен.
(Слайд 23) Главный недостаток АЭС –
опасность аварий с выбросом больших количеств
радиоактивных веществ в окружающую среду. В
последние десятилетия 20 века такие аварии
произошли на нескольких АЭС, наиболее крупные в
США и на территории бывшего СССР. А теперь уже и в
начале 21 века – в Японии.
Что вам известно о Чернобыльской трагедии? (ответы
учащихся). На 25 апреля 1986 г. был запланирован
тест 4 энергоблока реактора АЭС по
самообеспечению энергией. Действия персонала,
осуществлявшего тестирование, не
скоординировали с работниками, отвечавшими за
ядерную безопасность. Эксперимент проходил с
большими нарушениями, автоматическая система
безопасности реактора была отключена. Первый
взрыв разрушил ядерное ядро реактора, второй –
крышу реактора. И 8 т из 140 т радиоактивного
топлива вырвалось наружу. (Слайд 24) Люди
в Чернобыле, ликвидаторы аварии, подверглись
облучению в 90 раз большему, чем при падении
атомной бомбы на Хиросиму. После аварии на ЧАЭС
возникла необходимость осмысления печального
опыта Чернобыля не только с точки зрения
естественных наук, но и в политическом,
личностном и героическом аспекте. Потребовалась
Чернобыльская авария с ее тяжелыми
последствиями, чтобы покончить как с
благодушием, «ядерным романтизмом», так и
несчастью для АЭС с бурным ее ростом на долгие 20
лет.
11 марта на северовосточном побережье Хонсю, в 130
км от берега произошло одно из крупнейших в
истории Страны восходящего солнца
землетрясений. В непосредственной близости от
побережья расположены четыре действующие АЭС:
«Фукусима-1», «Фукусима-2», «Онагава» и «Токай». В
их составе находится четверть всех работающих в
стране ядерных реакторов (14 из 55). Развитие
ядерной энергетики в последние десятилетия
является для Японии приоритетным, чем-то вроде
национального проекта: с помощью собственных АЭС
страна борется с колоссальной зависимостью от
импорта энергоносителей (сегодня Япония
импортирует более 60%).
Территория Японии находится в одной из самых
сейсмически опасных зон планеты, здесь
происходит до 20% всех средней тяжести и сильных
землетрясений. Землетрясение 11 марта 2011 года
имело магнитуду 8,9, но здания электростанций
подземные толчки выдержали. «Фукусима-1» — одна
из старейших АЭС, построенная американской
фирмой «Дженерал электрик» 40 лет назад.
Ни сами реакторы, ни стенки защищающих их
герметичных стальных контейнеров этого и других
блоков не получили повреждений. Сработали также
системы автоматического отключения реакторов
(на момент аварии во включённом состоянии
находились три из шести блоков), которые должны
останавливать ядерную реакцию при повышении
сейсмической активности до опасных пределов.
Однако землетрясение вызвало волну цунами
высотой до 10 метров. На этот случай японские
станции, расположенные на побережье, снабжены
защитными дамбами. Поток воды, смывавший с
побережья целые здания, не разрушил энергоблоки,
в которых находятся реакторы, но вывел из строя
дизельные генераторы, создав угрозу перегрева
реакторов и, следовательно, тяжёлой ядерной
аварии. Разрушило цунами и систему
трубопроводов, которые охлаждали сами дизели.
(Слайд 24) Перегрев на АЭС «Фукусима»
вызвал серию взрывов, произошёл выброс
радиоактивных газов в атмосферу и радиоактивных
веществ в воды Мирового океана. В связи с ядерной
опасностью из окрестностей АЭС были срочно
эвакуированы около 180 тысяч жителей. Зона
эвакуации была объявлена в радиусе 30 километров
вокруг станции. Около 160 человек получили
значительную дозу облучения.
Итак, мировая атомная экономика пережила три бедствия, настолько жуткие, что имена станций «Три-Майл-Айленд», «Чернобыль» и «Фукусима» (Слайд 25) стали синонимами промышленной катастрофы. Но эти аварии привели к изменениям в обучении обслуживающего персонала АЭС. Если раньше персонал учили первым делом искать причину возникновения аварийной ситуации, то теперь основное внимание уделяют быстрому реагированию на возникшую опасность. В результате таких изменений в обучении сотрудников в США после 1979 года не было ни одной аварии на АЭС.
Итак, пути решения проблем АЭС: (учащиеся работают с параграфом учебника).
1) Международное агенство по атомной энергетике (МАГАТЭ), созданное при ООН в 1957 году, призвано контролировать использование атомной энергии в мирных целях, а также нераспространение ядерного оружия.
2) Для хранения радиоактивных отходов используются современные технологии, проектируют хранилища для их захоронения.
3) Концепция «Безопасность прежде всего» действует на всех этапах жизни ядерных энергоблоков: разработка, проектирование, сооружение, эксплуатация, закрытие.
7. Итоги урока
(Слайд 26) О ядерной энергии можно
говорить долго, слишком много она сделала для
человека и плохого, и хорошего. Напомним вопрос
нашего урока: ядерная энергия – это смертельная
опасность или жизненная необходимость? Как бы вы
ответили на этот вопрос, если бы вы были в роли
ученого в области ядерной физики; в роли врача;
эколога; житель города, в котором работает АЭС; в
роли ядерной энергии… (заслушиваются ответы
учащихся).
Ядерную энергию надо разумно и крайне осторожно
использовать. И только тогда с ее помощью можно
решить энергетические проблемы Земли – заменить
традиционное топливо принципиально новым:
компактным, бездымным и, что особенно важно,
практически неисчерпаемым.
8. Рефлексия
– Сегодня вы ученики, когда-то станете квалифицированные специалисты, которые будут развивать промышленность в нашей стране. Представьте себе, что наш класс – маленькая модель человеческого общества. Я вам предлагаю отдать свой голос «за» или «против» развития ядерной энергии. (Слайд 27) Вы проголосовали «За» («против»). (Результаты голосования перед уроком на перемене – Приложение 3). Словом, наше общество готово развивать ядерную энергетику.
9. Домашнее задание: подготовить тезисы к дебатам на тему использования ядерной энергии. (материал для игры-дебатов предоставлен на семинаре для зам. Директоров школ по УВР «Интеграция естественных дисциплин в учебной деятельности» МОУ «Гимназия №1» г. Печора – Приложение 4).
Используемая литература:
- Учебник «Физика. 9 кл.», авт. А.В.Перышкин, Е.М.Гутник, изд. «Дрофа», 2010, § 77.
- Учебник «Физика. 11 кл. Базовый уровень, 1 часть», авт. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик, изд. «Мнемозина», 2012, § 27.
- http:energ.net.ru Информационно-аналитический портал
- http:www.atominfo.ru
- http:ecoby.blogspot.ru Экологический блог
- http:www.physbook.ru Электронный учебник физики
- http:www.promved.ru Газета «Промышленные ведомости»
- http:www.ewascience.com Интересный и познавательный блог о жизни человека на планете Земля и жизни Земли с человеком
- Журнал «Физика. № 13. 2011 г.» А.Б.Колдобский «Авария на АЭС «Фукусима – 1»
- Материалы из Википедии.