Деление атомных ядер

Вид занятия. Лекция.

Цель.

• Дидактическая. Дать понятие о реакции деления атомных ядер, изучить физические основы получения ядерной энергии при делении тяжелых атомных ядер; рассмотреть управляемые цепные реакции, устройство и принцип действия ядерных реакторов; усвоить информацию о применении радиоактивных изотопов и биологическом действии радиоактивных излучений
• Воспитательная. Воспитывать умение работать в коллективе, чувство ответственности за общее дело, воспитывать заинтересованность дисциплиною, стремление получить новые знания самостоятельно; способствовать формированию познавательного интереса, развитию технических навыков в процессе обучения.
• Методическая. Применение компьютерных технологий: презентаций, интерактивных лекций, виртуальных моделей.

Методы: словесный, наглядный; эвристический, беседа; фронтальный опрос

№1 Организационная часть урока

1. Приветствие.

2. Проверка наличия учеников и готовности их к уроку.

№2. Сообщение темы, цели и основных задач урока.

План лекции

1. Деление ядер урана при облучении нейтронами.

1.1. Выделение энергии при делении ядер урана.

1.2.Цепная реакция и условия ее возникновения.

2. Ядерный реактор. Атомная электростанция.

2.1. Основные элементы ядерного реактора и его виды.

2.2. Применение ядерной энергии.

3. Биологическое действие радиоактивных излучений.

№3. Актуализация опорных знаний учеников:

1.Состав ядра.

2.Радиоактивность.

3. Ядерные реакции.

4. - распад.

5. распад.

6. Энергетический выход реакции.

7. Дефект масс.

8. Энергия связи ядра.

9. Удельная энергия связи ядра.

Лист опроса (проверка знания формул, законов, закономерностей) (слайд №3).

1. Деление ядер урана при облучении нейтронами

Атомные ядра, содержащие большое число нуклонов, неустойчивы и могут распадаться. В 1938 г. немецкие ученые Отто Ганн и Франц Штрассман наблюдали деление ядра урана U под действием медленных нейтронов. Однако правильное истолкование этого факта, именно как деление ядра урана захватившего, нейтрон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер. Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, поглотившего нейтрон, на две приблизительно равные части (осколками деления).

Возможность деления тяжелых ядер можно также объяснить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа А(слайд №4).

Рис. 1

Удельная энергия связи ядер атомов, занимающих в периодической системе последние места (А200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине периодической системы (А100). Поэтому процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является “энергетически выгодным”. Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией. Ведь чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при образовании ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.

При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ на ядро. Не при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется. Сопоставим эту энергию с энергией, выделяемой при сгорании топлива. При делении 1 кг урана-235 выделится, энергия, равная . При сгорании же 1 кг угля выделится энергия, равная 2,9·10⁶ Дж, т.е. в 28 млн. раз меньше. Этот расчет хорошо иллюстрирует преимущество ядерной энергетики.

Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана U, подтвердили приведенные соображения и дали величину 200 МэВ. Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков.

Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания.

Использование именно нейтронов для деления ядер обусловлено их электро нейтральностью. Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро. Временный захват нейтрона нарушает хрупкую стабильность ядра, обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения. Возникающие пространственные колебания нуклонов возбужденного ядра (обозначим U*) являются неустойчивыми. Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферии. Их взаимное отталкивание приводит к искусственной радиоактивности изотопа U*, т. е. к его делению на ядра меньшей массы, называемые осколками деления. Причем наиболее вероятным оказывается деление на осколки, массы которых относятся примерно как 2:3. Большинство крупных осколков имеют массовое число А в пределах 135—145, а мелкие от 90 до 100. В результате реакции деления ядра урана U образуются два или три нейтрона. Одна из возможных реакций деления ядра урана протекает по схеме:

Эта реакция протекает с образованием трех нейтронов. Возможна реакция с образованием двух нейтронов:

1. Задание ученикам: восстановить реакцию.

Рис. 2

2. Задание ученикам: подпишите элементы рисунка.

1.1 Выделение энергии при деления ядер урану

Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания. При полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти.

Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости. Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада.

Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, ядро начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму (слайд №5). Ядро растягивается до тех пор, пока силы электрического отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами ядерного притяжения, действующими в перешейке. После этого ядро разрывается на две части. Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света. (видеофрагмент №6)

1.2 Цепная реакция и условия её возникновения

Любой из нейтронов, вылетающий из ядра в процессе деления, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой нейтроны образуются как продукты этой реакции, способные вызывать деление других ядер. (слайд №7).

Рис. 3

Суть этой реакции заключается в том, что испущенные при делении одного ядра N нейтронов могут вызвать деление N ядер, в результате чего будет испущено N² новых нейтронов, которые вызовут деление N² ядер, и т. д. Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. В целом процесс носит лавинообразный характер, протекает весьма быстро и сопровождается выделением огромного количества энергии.

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов k— отношение числа нейтронов в данном этапе цепной реакции к их числу в предыдущем этапе.

Если k1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остаётся постоянным и цепная реакция идет.

Если k <1, то число нейтронов убывает и цепная реакция невозможна.

При k = 1 реакция протекает стационарно: число нейтронов сохраняется неизменным. 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 может протекать цепная реакция.

Это равенство k = 1 необходимо поддерживать с большой точностью. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв. Число нейтронов, образующихся при делении ядер, зависит от объема урановой среды. Чем больше этот объем, тем большее число нейтронов выделяется при делении ядер. Начиная с некоторого минимально-критического объема урана, имеющего определенную критическую массу, реакция деления ядер становится самоподдерживающейся. Очень важным фактором, влияющим на ход ядерной реакции, является наличие замедлителя нейтронов. Дело в том, что ядра урана-235 делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением ядер. В качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, вода, тяжелая вода и некоторые другие.

Для чистого урана U, имеющего форму шара, критическая масса приблизительно равна 50 кг. При этом радиус шара равен примерно 9 см. Применяя замедлитель нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.

(видеофрагмент №8)

2. Ядерный реактор

Ядерным реактором называется устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер.

Впервые управляемая цепная реакция деления ядер урана была осуществлена в 1942 году в США под руководством итальянского физика Ферми. Цепная реакция с коэффициентом размножения нейтроновk=1,0006 длилась в течение 28 минут, после чего реактор был остановлен.

Основными элементами ядерного реактора являются:

• ядерное горючее (U, U , Pu);
• замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит и др.);
• теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.);
• устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие вещества, хорошо поглощающие нейтроны).(видеофрагмент №10).

Ядерное топливо располагается в активной зоне в виде вертикальных стержней, называемых тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). ТВЭЛы предназначены для регулирования мощности реактора. Масса каждого топливного стержня значительно меньше критической, поэму в одном стержне цепная реакция происходить не может. Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней. Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны (отражатель), и защитной оболочкой из бетона, задерживающего нейтроны и другие частицы.

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

Реактор на медленных нейтронах. Наиболее эффективное деление ядер U происходит под действием медленных нейтронов. Такие реакторы называются реакторами на медленных нейтронах. Вторичные нейтроны, образующиеся в результате реакции деления, являются быстрыми. Для того чтобы их последующее взаимодействие с ядрами U в цепной реакции было наиболее эффективно, их замедляют, вводя в активную зону замедлитель — вещество (тяжелая вода, графит)

Вопрос ученикам: Почему применяются именно эти вещества? Тяжелая вода – содержит большое количество нейтронов, которые сталкиваясь с быстрыми нейтронами, выделяющимися в результате деления, замедляют их в соответствии с законом сохранения импульса.

Реактор на быстрых нейтронах. Природного урана-235 на Земле очень мало, всего лишь 0,715% от всей массы урана. Основную часть природного урана (99,28%) составляет изотоп урана-238, который непригоден в качестве “ядерного топлива”.

В реакторах на тепловых (т. е. медленных) нейтронах уран используется лишь на 1-2%. Полное использование урана достигается в реакторах на быстрых нейтронах, в которых обеспечивается также воспроизводство нового ядерного горючего в виде плутония.

Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при работе образуется значительное количество плутония Pu, важнейшее свойство изотопа Pu — его способность делиться под действием тепловых нейтронов, как и изотопU , который затем можно использовать в качестве ядерного топлива. Эти реакторы называются реакторами-размножителями, так как они воспроизводят делящийся материал. Поэтому очень важной задачей ядерной энергетики ближайшего будущего является переход от обычных реакторов к реакторам-размножителям (бридерам), которые служат не только источниками энергии, но и “фабриками плутония”. Перерабатывая уран-238 в плутоний, эти реакторы резко увеличивают запасы “ядерного топлива”.

С помощью ядерных реакций получены трансурановые элементы (следующие за ураном), т. е. элементы более тяжелые, чем уран. Эти элементы не существуют в природе, они получены искусственным путем.

Первый элемент с зарядовым числом, которое больше 92, получили в 1940 г. американские ученые в Калифорнийском университете, когда облучали уран нейтронами. Получение трансурановых элементов рассмотрим на примере получения нептуния и плутония:

Период полураспада нептуния - 2,3 суток, плутония – 2,44·10⁴ лет, поэму его можно накапливать в больших количествах, что имеет большое значение при использовании ядерной энергии. На сегодняшний день получены следующие трансурановые элементы: америций (95), берклий (97), калифорний (98), эйнштейний (99), фермий (100), м (101), нобелий (102), лоуренсий (103), курчатовий (104).

Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию. Ядерный реактор является основным элементом атомной электростанции (АЭС), преобразующей тепловую ядерную энергию в электрическую. В результате деления ядер в реакторе выделяется тепловая энергия. Эта энергия преобразуется в энергию пара, вращающего паровую турбину. Паровая турбина в свою очередь вращает ротор генератора, вырабатывающего электрический ток.

Таким образом, преобразование энергии происходит по следующей схеме:

внутренняя энергия ядер урана кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер внутренняя энергия воды  внутренняя энергия пара кинетическая энергия пара кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора   электрическая энергия.(видеофрагмент №11).

Задание ученикам: подпишите основные элементы реактора.(слайд №12)

Рис.4

Проверка задания (слайд №13)

Рис. 5

При каждом акте деления выделяется энергия около 3,2·10^-11Дж. Тогда мощности 3000 МВт соответствует примерно 10¹⁸ актов деления в секунду. При делении ядер стенки ТВЭЛов сильно нагреваются. Отвод тепла из активной зоны осуществляется теплоносителем – водой. В мощных реакторах зона нагревается до температуры 300 °С. Во избежание закипания вода выводится из активной зоны в теплообмен под давлением порядка 10⁷ Па (100 атм). В теплообменнике радиоактивная вода(теплоноситель), циркулирующая в первом контуре, отдает тепло обычной воде, циркулирующей во втором контуре. Передаваемое тепло превращает воду во втором контуре в пар. Этот пар с температурой около 230 °С под давлением 3·10⁶ Па направляется на лопатки паровой турбины, а она вращает ротор генератора электрической энергии. Применение ядерной энергии для преобразования ее в электрическую впервые было осушествлено в1954 году в СССР в г. Обнинске. В 1980 г. на Белоярской АЭС состоялся пуск первого в мире реактора на быстрых нейтронах

Успехи и перспективы развития атомной энергетики

Сравнение экологического действия от работы ЭС разных видов.

Экологическое влияние ГЭС (слайд №14):

• затопление больших площадей плодородных земель;
• подъйом уровня грунтовых вод;
• заболоченность территорий и выведение из посевных значительных площадей земли;
• “цветение” водойомов, что приводит к гибели рыб и других жителей водойомов.

Экологическое влияние ТЭС (слайд №15):

• выделение большого количества теплоты;
• загрязнение атмосферы газообразными выбросами;
• радиоактивное загрязнение;
• загрязнение земной поверхности шлаками и карьерами.

Экологическое влияние АЭС(слайд №16):

• добыча и переработка урановых руд;
• утилизация радиоактивных отходов;
• значительное тепловое загрязнение воды, вследствие её нагревания.

На слайде №17 размещена таблица, показывающая распределение электроэнергии, которую вырабатывают разные электростанции.

Невозможно не вспомнить о событиях 1986 року (слайд №18). Последствия взрыва (слайд №19-22)

Ядерные реакторы устанавливаются на атомных подводных лодках и ледоколах(К 19).

Ядерное оружие

Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом размножения нейтронов осуществляется в ядерной бомбе. Для того, чтобы происходило почти мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения замедлителей). Взрывчатым веществом служит чистый уран U или плутоний Pu.

При взрыве бомбы температура достигает миллионов кельвин. При такой температуре резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве бомбы сильно радиоактивны и опасны для жизни.

В 1945 г. США применили атомные бомбы против Японии (видеофрагмент №23-25). Последствия испытаний атомного оружия (видеофрагмент №26)

Радиоактивное излучение включает в себя гамма- и рентгеновское излучение, электроны, протоны, частицы, ионы тяжелых элементов. Его называют также ионизирующим излучением, так как, проходя через живую ткань, оно вызывает ионизацию атомов.

Даже слабые излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы, нарушая жизнедеятельность клеток. При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучения усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах. Инновации в медицине (слайд №27-29)

Механизм поражающего биологические объекты действия еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Доза излучения. Характер воздействия ионизирующего излучения зависит от дозы поглощенного излучения и его вида.

Доза поглощенного излучения — отношение энергии излучения поглощенной облучаемым телом, к его массе: .

В СИ дозу поглощенного излучения выражают в греях (1 Гр):

1 Гр равен дозе поглощенного излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около 2·10^-3 Гр на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3 - 10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

На практике широко используется внесистемная единица дозы излучения – рентген (1 Р). 1 Гр соответствует примерно 100 Р.

Эквивалентная доза.

В связи с тем, что при одной и той же дозе поглощения разные излучения вызывают различные биологические эффекты, для оценки этих эффектов была введена величина, называемая эквивалентной дозой (Н).

Эквивалентная доза поглощенного излучения определяется как произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:

H = D * K.

Единица эквивалентной дозы — зиверт (1 Зв).

1Зв равен эквивалентной дозе, при которой доза поглощенного -излучения равна 1 Гр.

Величина эквивалентной дозы определяет относительно безопасные и очень опасные для живого организма дозы облучения.

Табл.1

При оценке воздействий ионизирующих излучений на живой организм учитывают и то, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе.

Другими словами, каждый орган и ткань имеет определенный коэффициент радиационного риска (для легких, например, он равен 0,12, а для щитовидной железы — 0,03).

Поглощенная и эквивалентная дозы зависят от времени облучения. При прочих равных условиях эти дозы тем больше, чем больше время облучения.

Пищевые продукты, которые поддаются радиационной обработке (слайд №30).

Полулетальная поглощенная доза* для некоторых живых организмов (слайд №31).

Биологическое действие ионизированного облучения на человека (слайд №32).

Уровень радиационного облучения населения (слайд №33).

Защитное действие от ионизированного излучения сооружений и материалов (слайд №34)

2. Защита организмов от излучения.

При работе с любым источником радиации необходимо принимать меры по радиационной защите.

Самый простой метод защиты — это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

Для защиты от излучения используют преграды из поглощающих материалов. Например, защитой от -излучения может служить слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наиболее сложна защита от излучения и нейтронов из-за большой проникающей способности. Лучшим поглотителем лучей является свинец. Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.(видеофрагмент №35).

Вопросы к ученикам в ходе изложения нового материала

1. Почему нейтроны оказываются наиболее удобными частицами для бомбардировки атомных ядер?

2. Что происходит при попадании нейтрона в ядро урана?

3. Почему при делении ядер урана выделяется энергия?

4. От чего зависит коэффициент размножения нейтронов?

5. В чем заключается управление ядерной реакцией?

6. Для чего нужно, чтобы масса каждого уранового стержня была меньше критической массы?

7. Для чего нужны регулирующие стержни? Как ими пользуются?

8. Для чего в ядерном реакторе используется замедлитель нейтронов?

9. В чем причина негативного воздействия радиации на живые организмы?

10. Какие факторы следует учитывать при оценке воздействий ионизирующих излучений на живой организм?

№5. Подведение итогов урока