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

УРОК - 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 (20-25%), 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 50-70%.

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 (2-6 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 10000-11 700 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 13-15 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».