Презентация к уроку физики в 11 классе "Ядерный реактор"

Ядерный реактор

Федоров А.М. – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республики Саха

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.
Хорошая новость заключается в том, что ядерной реакцией можно управлять. Задача проста — следи себе за реакцией, контролируй и не давай урану распадаться слишком быстро. Легко сказать! Для выполнения этой задачи придумали замедлитель. Замедлитель — не устройство, а вещество, которое уменьшает кинетическую энергию нейтронов за счет многократного столкновения с молекулами замедлителя. В качестве замедлителя часто используют графитовые стержни и воду — обычную (H2O) или тяжелую (D2O).

Основные элементы ядерного реактора

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- излучение 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.

Тяжёлая вода́ — обычно этот термин применяется для обозначения тяжеловодородной воды, известной также как оксид дейтерия. Тяжеловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо двух атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода — дейтерия, а её кислород по изотопному составу соответствует кислороду воздуха

Первая управляемая ядерная реакция

Цепная реакция деления ядер (кратко — цепная реакция) была впервые осуществлена в декабре 1942 года. Группа физиков Чикагского университета, возглавляемая Э. Ферми, создала первый в мире ядерный реактор, названный «Чикагской поленницей» (Chicago Pile-1, CP-1). Он состоял из графитовых блоков, между которыми были расположены шары из природного урана и его диоксида. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер 235U, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления ядер. Реакторы, подобные СР-1, в которых основная доля делений происходит под действием тепловых нейтронов, называют реакторами на тепловых нейтронах. В их состав входит очень много замедлителя по сравнению с ядерным топливом.

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.

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.

Первый советский реактор

В 1946 году заработал первый советский реактор, запущенный под руководством Курчатова. Корпус этого реактора представлял собой шар семи метров в диаметре. Первые реакторы не имели системы охлаждения, и мощность их была минимальной. К слову, советский реактор имел среднюю мощность 20 Ватт, а американский – всего 1 Ватт. Для сравнения: средняя мощность современных энергетических реакторов составляет 5 Гигаватт. Менее чем через десять лет после запуска первого реактора была открыта первая в мире промышленная атомная электростанция в городе Обнинске.

Вскоре первенец советского реакторостроения получил собственное имя и стал называться Ф-1 (физический – первый). Именно на Ф-1 впервые в СССР были получены существенные (т. н. «весовые») количества оружейного плутония. Да, пока его было мало, но его уже было возможно взвесить. До того советские ученые получали лишь индикаторные количества этого элемента, позволявшие судить о том, что в исследуемом образце этот плутоний вообще присутствует

Упражнения

Запишите уравнение ядерной реакции, происходящей при бомбардировке бериллия α-частицами и сопровождающейся испусканием нейтронов.
Вычислите энергию ядерной реакции: . Выделяется или поглощается энергия в этой реакции?
Определите, какая частица образуется в результате ядерной реакции
Запишите уравнения ядерных реакций, в результате которых при облучении протонами ядра лития образуются:
а) ядро и нейтрон; б) два одинаковых ядра; в) два ядра с числами нуклонов, отличающихся на две единицы и протон; г) ядро и γ-квант.
5. Ядро изотопа магния подвергается бомбардировке протонами. Запишите уравнение реакции, если она сопровождается испусканием α – частицы.
6. При бомбардировке нейтронами атома азота испускается протон. Ядро какого изотопа образуется при этом, если реакция сопровождается испусканием протона? Запишите уравнение реакции.
7. При облучении ядра меди протонами реакция идет с выделением: а) протона и нейтрона; б) одного нейтрона; в) двух нейтронов. Ядра каких элементов образуются в результате реакций?

Домашнее задание

Захват нейтрона нарушает устойчивость ядра, возбужденное ядро делится на осколки.
да
нет
2. Элементы ядерного реактора: ядерное горючее, замедлитель нейтронов, теплоноситель, регулирующие стержни, генератор переменного тока.
да
нет
3. Коэффициент размножения – отношение числа нейтронов в предыдущем поколении к их количеству в последующем.
да
нет
4. Цепная реакция возможна лишь с использованием изотопа урана 92238U , т.к. он эффективно делится под действием быстрых и медленных нейтронов.
да
нет
5. При делении ядра выделяется энергия в виде кинетической энергии осколков.
да
нет

Домашнее задание

6. Для осуществления непрерывной цепной реакции необходимо, чтобы все образовавшиеся нейтроны вызывали деление.
да
нет
7. Управляемая цепная ядерная реакция осуществляется в ядерном реакторе.
да
нет
8. Замедлитель используется для уменьшения количества образовавшихся в реакции нейтронов.
да
нет
9. Если масса делящегося вещества больше критической, то реакция не может происходить.
да
нет
10. Для продолжения цепной реакции необходимо, чтобы число нейтронов не уменьшалось.
да
нет

Использованные ссылки

https://skysmart.ru/articles/physics/yadernyj-reaktor
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%8F%D0%B6%D1%91%D0%BB%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%B0
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AF%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80
https://studme.org/163383/tehnika/reaktory_bystryh_neytronah
https://onlinetestpad.com/ru/test/35117-fizika-11-klass-tema-87-delenie-yader-urana-cepnye-yadernye-reakcii-yaderny