Ядерный реактор физика 11 класс кратко
Обновлено: 30.06.2024
Ядерный реактор – это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.
Реактор на быстрых нейтронах – ядерный реактор, в активной зоне которого нет замедлителей нейтронов.
Реактор на медленных нейтронах – ядерный реактор, активная зона которого, кроме ядерного горючего содержит еще замедлитель нейтронов.
Отражатель – конструктивная часть ядерного реактора, окружающая активную зону, предотвращая утечку нейтронов в окружающую среду.
Активная зона – центральная часть реактора, в которой протекает самоподдерживающаяся цепная реакция деления и выделяется энергия.
Замедлитель - вещество с малой атомной массой, служащее для замедления, образующихся при делении ядер нуклидов, нейтронов с высокой энергией (0,5-10 МэВ) до тепловых энергий (менее 1 эВ).
Теплоноситель – жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии.
Регулирующие стержни – Конструктивная часть ядерного реактора, обеспечивающая частичное поглощение нейтронов в активной зоне для регулирования цепной реакции.
Парогенератор – теплообменный аппарат для производства водяного пара с давлением выше атмосферного за счёт теплоты первичного теплоносителя, поступающего из ядерного реактора.
Турбина – лопаточная машина, в которой происходит преобразование кинетической энергии и/или внутренней энергии рабочего тела (пара, газа, воды) в механическую работу на валу.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §35, С. 112-113.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- Вентана-Граф, 2011
Теоретический материал для самостоятельного изучения
2 августа 1939 года знаменитый физик-теоретик Альберт Эйнштейн отправил президенту США Франклину Рузвельту письмо с просьбой о помощи физикам. В письме обращалось внимание на активные исследования нацистской Германии в области ядерной физики, благодаря которым у Германии может в скором времени появится атомная бомба. Эйнштейн вместе с физиками Лео Силардом, Юджином Вигнером и Эдвардом Теллером призывали к началу широкомасштабных атомных исследований в США.
В том же 1939 году под руководством Энрико Ферми начались работы по созданию ядерного реактора.
Исследования привели к открытию самоподдерживающейся реакции на основе деления ядер урана под воздействием нейтронов почти сразу после постройки реактора, но были направлены не в мирное русло, как альтернативный источник энергии. Первоочередной задачей было создание нового оружия- атомной бомбы, работа над которой затянулась на 3 года и была представлена лишь в 1945 году. Сложность заключалась в нахождении правильных веществ. Для осуществления ядерной реакции можно использовать Уран-235, Уран-233, Уран-238, Плутоний-239, Теорий-232…
Поясняя содержание таблицы:
Быстрые нейтроны- нейтроны, движущиеся со скоростями больше 14 000 км/с. Испускаются в процессе деления ядер. Медленные нейтроны- нейтроны, движущиеся со скоростями около 2 км/с.
Из содержания таблицы следует, что если проводить реакцию, используя только быстрые нейтроны, то лучшим горючим являются ядра Уран-235, Уран-233 и Плутоний-239, но их распространенность в природе крайне мала. Уран-238 и Теорий-232 подвергаются делению ядер с малой долей вероятности. Реакцию Урана-235 нейтрализует Уран-238, содержащийся в нем.
Первый способ решить проблему – обогащение урана. Это сложно и дорого. Метод заключается в удалении из смеси Урана-238 с Ураном-235 Урана-238.
Второй способ- осуществление реакции по средствам замедления нейтронов.
Медленными нейтронами воздействовать на Уран-235, в котором вероятность деления становится больше. Уран-238 в процессе реакции образует Плутоний -239. Из Тория-232 помимо энергии образуются ядра Урана-233, используемы как ядерное топливо.
Именно из-за сложности, разносторонности проблемы, большой стоимости и опасности исследования атомная бомба разрабатывалась столь долгий срок.
Теперь разберемся с конструкцией ректоров.
Выделяют два основных типа реакторов: реакторы, работающие на быстрых нейтронах, и реакторы, работающие на медленных нейтронах.
В реакторах на быстрых нейтронах используется обогащенный уран, в котором доля Урана-235 больше 15% от общего количества обогащенного урана. Возможно использование Плутония-239.
В реакторах на быстрых нейтронах в активной зоне находится топливо. В реакторах на медленных электронах в активной зоне так же помещается замедлитель нейтронов.
В качестве замедлителя обычно используют графит или воду.
Вода используется и как теплоноситель, отводя тепло от ядерного горючего, но поглощает радиацию.
Радиоактивная нагретая вода нагревает чистую воду до состояния пара, вода первичного контура циркулирует по кругу.
В реакторах на быстрых нейтронах вместо воды, как теплоноситель, используется жидкий металл, например, натрий.
Важный аспект работы реактора- регуляция его мощности: вывод на полную мощность или полная остановка. Регуляция происходит за счет частичного поглощения нейтронов. Для этого в активную зону вводят и выводят регулирующие стержни.
Регулирующие стержни состоят из вещества, хорошо поглощающего нейтроны, например, кадмия или бора.
Все команды, касающиеся управления реактором, отдаются с системы управления.
Система управления – это множество датчиков и механизмов, приводящих в движение регулирующие стержни. Большинство вычислительных операций берет на себя система, но последнее слово остается за человеком.
Применение ядерной энергии в мирных целях было осуществлено в СССР 26 июня 1954 года. Первой АЭС стала Обнинская АЭС, выведенная из эксплуатации лишь 29 апреля 2002 года.
На данный момент в мире эксплуатируется 192 атомных электростанции с 451 энергоблоком.
Разбор решения заданий:
Правильный вариант:
Активная, замедлитель нейтронов.
Задание 2: Выберите и подчеркните конструктивные элементы, входящие в активную зону реактора
Главной частью любой атомной электростанции является ядерный реактор, вырабатывающий энергию, которая потом направляется на генераторы. Рассмотрим кратко его устройство и принцип действия.
Принцип работы атомного реактора
Во всех существующих атомных электростанциях энергия вырабатывается за счет деления ядер тяжелых элементов (чаще всего урана-235 или плутония-239) .
Ключевым моментом этого процесса является управление скоростью распада. Если скорость будет слишком низка – цепная реакция прекратится, распад перестанет быть самоподдерживающимся. Если скорость будет слишком велика – произойдет резкое увеличение выделения энергии, что приведет к взрыву.
Рис. 1. Управление коэффициентом размножения нейтронов.
Таким образом, ядерный реактор должен иметь возможность увеличивать и уменьшать скорость распада. Это делается путем регулирования коэффициента размножения нейтронов. Нейтроны играют важнейшую роль в цепной реакции, низкий коэффициент размножения нейтронов приведет к ее остановке, высокий – к неконтролируемому увеличению скорости распада. Коэффициент должен постоянно оставаться близким к $k = 1$.
Управление коэффициентом размножения нейтронов достигается путем введение в зону реакции конструктивных элементов (стержней), содержащих вещество, хорошо поглощающее нейтроны. При этом если эти стержни полностью выведены из зоны реакции – коэффициент размножения становится больше единицы, а если полностью введены – меньше.
Кроме того, поскольку быстрые нейтроны имеют гораздо меньшую вероятность захвата ядрами, в реакторе должно присутствовать вещество, замедляющее нейтроны.
Устройство реактора
Устройство ядерного реактора представлено на следующем рисунке:
Рис. 2. Устройство атомного реактора.
В рабочей зоне ядерного реактора находятся стержни или пластины из урана или плутония, окруженные теплоносителем, который одновременно является и замедлителем нейтронов (как правило, это тяжелая вода).
В пространство между этими пластинами или стержнями из ядерного топлива помещаются регулирующие стержни из вещества, хорошо поглощающего нейтроны (бор, кадмий, графит). Именно с помощью этих стержней осуществляется управление цепной реакцией распада. Для этого регулирующие стержни имеют механизмы ввода и удаления их из рабочей зоны реактора.
Нагретый теплоноситель поступает через трубопровод первого контура в парогенератор, где передает тепло во второй контур, и, охлаждаясь, возвращается в зону реакции.
Вся рабочая зона окружается толстой защитной оболочкой, задерживающей нейтроны и γ-излучение. Таким образом, все критически ответственные и потенциально опасные элементы реактора работают в стабильных условиях закрытого пространства, что повышает надежность и безопасность работы.
Реактор – это уникальная часть атомной электростанции. Но тепло, полученное во втором контуре, используется точно так же, как и в обычных тепловых электростанциях – теплоноситель подается на турбину, вращающую электрические генераторы. Эта тема изучается при изучении электричества.
Рис. 3. Схема АЭС.
Что мы узнали?
Ядерный реактор – это устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция распада тяжелых ядер. Управление цепной реакцией производится с помощью частичного введения в зону реакции стержней из вещества, хорошо поглощающего нейтроны. Это позволяет изменять коэффициент размножения нейтронов и скорость цепной реакции.
Звучит страшно и опасно, но при умелом обращении приносит много пользы. Как устроен ядерный реактор и почему его не стоит бояться — в нашей статье.
О чем эта статья:
11 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Принцип работы ядерного реактора
Принцип действия реактора можно описать в паре предложений:
Уран-235 распадается, вследствие чего выделяется большое количество тепловой энергии. Эта энергия кипятит воду, а возникший пар крутит турбину под давлением. Турбина, в свою очередь, вращает электрогенератор, который вырабатывает электричество.
Все, расходимся… Ладно, давайте разберемся более детально.
Уран-235 — это один из изотопов урана. Изотоп — это разновидность атома какого-либо вещества, которая отличается от обычного атома атомной массой. Конкретно уран-235 отличается от простого урана тем, что в ядре такого изотопа на три нейтрона меньше.
Из-за недостатка нейтронов ядро становится менее стабильным и распадается на две части, если разогнать и врезать в него нейтрон. При этой реакции вылетает еще парочка нейтронов. Эти нейтроны могут попасть в другое ядро урана-235 и расщепить его, после чего оттуда вылетит еще нейтрон, и так далее по цепочке. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.
Деление урана
Деление ядер урана под воздействием нейтронов открыли немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году. Для эксперимента выбрали именно нейтроны потому, что они электрически нейтральны, то есть у них нет заряда. А раз нет заряда, то между протонами и нейтронами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают в ядро.
Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно деформируется и становится вытянутым. Ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях, но не работают на больших. А вот электростатическое взаимодействие может происходить и на больших расстояниях. Поэтому ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и последнее разрывается на части. При этом излучается та самая парочка нейтронов, о которых мы уже упоминали выше, а близкие по массе осколки разлетаются с большой скоростью.
Результаты деления ядра урана-235:
1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:
2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:
Еще больше наглядных примеров — на курсах по физике для 9 класса в онлайн-школе Skysmart.
Управляемая ядерная реакция
Естественная ядерная реакция происходит очень быстро — меньше, чем за секунду. Такая быстрая ядерная реакция провоцирует ядерный взрыв.
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).
На Земле был природный ядерный реактор. Он находился в урановом месторождении Окло. Это в Габоне, в Центральной Африке. В природном ядерном реакторе процесс распада урана происходит без человеческого участия. Но есть один нюанс: этот реактор остыл больше миллиарда лет назад.
Техническая реализация
В момент распада ядро урана раскалывается на две части. Эти части разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, но, несмотря на скорость, не улетают далеко. Они ударяются об атомы, которые находятся рядом, и кинетическая энергия переходит в тепловую. Количество теплоты от этих соударений нагревает воду, превращая ее в пар. Пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который вырабатывает электричество.
Вот и получается, что мы живем в стимпанке — все работает на пару.
Если коротко, то атомная электростанция — это сооружение, которое производит электричество за счет ядерного реактора.
А если подробнее, то АЭС — это большой комплекс, во главе которого стоит ядерный реактор. Помимо реактора на АЭС есть турбина, генератор, трансформаторы для преобразования напряжения. В общем, это большая система.
В бытовом употреблении АЭС часто приравнивают к ядерному реактору, и это нельзя назвать неправильным. Просто ядерный реактор — босс в этой движухе, поэтому он и определяет все остальное. 😉
Кстати, когда будете играть в крокодила, загадайте атомную электростанцию. Будет забавно, проверено.
Чернобыльская АЭС
Когда речь заходит о ядерной энергетике, многие невольно вспоминают катастрофу на Чернобыльской АЭС и поэтому ошибочно считают, что ядерный реактор — зло.
Но по большому счету, реактор — это очень дорогой чайник. Дым, который валит из труб АЭС и пугает прохожих, на самом деле не дым, а пар.
В результате работы ядерного реактора действительно образуются радиоактивные отходы, и они могут быть опасны, если с ними неправильно обращаться. Часть этих отходов перерабатывают для дальнейшего использования, а часть приходится держать в хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.
Атомные электростанции выбрасывают в атмосферу только пар, им необходимо небольшое количество топлива, а еще они занимают малую площадь и при правильном использовании безопасны. Тем не менее, после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики.
Первая авария на Чернобыльской АЭС произошла в 1982 году. Во время пробного пуска разрушился один из технологических каналов реактора, была деформирована графитовая кладка активной зоны. Пострадавших не было, но последствия ликвидировали около трех месяцев.
В 1986 году произошло ЧП в известном всему миру четвертом энергоблоке. В этом самом энергоблоке проводились испытания турбогенератора. Система аварийного охлаждения была планово отключена, поэтому, когда реактор не смогли остановить, эта система не спасла АЭС от взрыва и пожара.
Взрыв и его последствия не говорят о том, что ядерная энергетика вредна. На самом деле даже бананы радиоактивны, потому что в них содержатся радиоактивные изотопы. Но даже съев около сотни бананов массой 150 г, вы получите всего лишь нормальную суточную дозу радиации. Чтобы банановая радиация навредила человеку, ему придется съесть не меньше тонны. То же и с ядерными реакциями — они приносят вред только в том случае, если их не контролировать.
Виды современных реакторов
Сегодня существует несколько видов ядерных реакторов, но используют в основном два — гомогенные и гетерогенные:
- в гомогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель перемешаны;
- в гетерогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель находятся отдельно друг от друга.
Еще бывают реакторы, в которых для получения энергии используют уран-238, а не уран-235. Но в таких реакторах сложно отводить тепло, поэтому они довольно редки.
Использование атомной энергии
Атомная энергия используется не только в ядерных реакторах. Например, существуют корабли и подводные лодки, которые работают на атомной энергии.
В начале XXI века из-за высоких цен на нефть были очень актуальны поиски способов использования ядерной энергии. Тогда появились разработки по компактным атомным электростанциям, которые могут работать десятилетиями без обслуживания и к тому же безопасны.
Кроме того, ученые работают над ядерными методами для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Есть исследования, которые подтверждают, что радиоактивные изотопы могут уничтожать раковые клетки.
Главная
Вспомни физику:
7 класс
8 класс
9 класс
10-11 класс
видеоролики по физике
мультимедиа 7 кл.
мультимедиа 8 кл.
мультимедиа 9 кл.
мультимедиа 10-11 кл.
астрономия
тесты 7 кл.
тесты 8 кл.
тесты 9 кл.
демонстрац.таблицы
ЕГЭ
физсправочник
- это устройство на атомной электростанции для получения атомной энергии.
Назначение ядерного реактора: преобразование внутренней энергии атомного ядра в электрическую энергию.
В ядерном реакторе осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер (при k = 1).
Ядерными реакторами оснащены все АЭС (атомные электростанции).
Основные элементы ядерного реактора:
- топливо (уран-235, уран-238, плутоний-239) в виде стержней
- замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит)
- теплоноситель (вода, жидкий натрий)
- устройство для регулирования реакции (кадмий, бор)
- защита (оболочка из бетона и железа).
Реактор работает на медленных нейтронах (более эффективно идет деление ядер урана-235).
Активная зона реактора, содержит ядерное топливо - урановые стержни и замедлитель - воду. Вода вокруг урановых стержней является не только замедлителем нейтронов, но и служит для отвода тепла, т.к. внутренняя энергия разлетающихся осколков переходит во внутреннюю энергию окружающей среды - воды. Активная зона окружена отражателем для возвращения нейтронов и защитным слоем бетона.
Достижение критической массы топлива осуществляется введением регулирующих стержней (до достижения массы урана = критической массе).
Активная зона посредством труб соединена в кольцо (1-ый контур).
Вода прокачивается по трубам контура насосом и отдает свою энергию змеевику в теплообменнике, нагревая воду в змеевике (во 2-м контуре).
Вода в змеевике превращается в пар, температура которого может достигать 540 градусов.
Пар вращает турбину, энергия пара превращается в механическую энергию.
Ось турбины вращает ротор электрогенератора, превращая механическую энергию в электрическую.
Отработанный (охлажденный ) пар поступает в конденсатор, где превращается в воду, возвращающуюся в 1-ый контур.
Первая АЭС была построена в г. Обнинске (СССР).
- ядерные реакторы не потребляют кислород и органическое топливо
- не загрязняют окружающую среду золой и вредными для человека продуктами органического топлива
- биосфера надежно защищена от радиоактивного воздействия при нормальном режиме эксплуатации АЭС.
- необходимость захоронения радиоактивных отходов и демонтаж отслуживших свой срок реакторов
- опасность радиоактивного заражения местности при аварийных выбросах
- опасность экологических катастроф ((1986 г. - Чернобыльская АЭС).
Существуют ядерные реакторы на быстрых нейтронах - размножители.
Другие страницы по теме "Атомная физика" за 10-11 класс:
- один из видов ядерного оружия, в котором используется неуправляемый процесс деления атомных ядер, т.е. цепная реакция.
Принцип работы атомной бомбы, заключается в расщеплении ядер тяжёлых элементов ( уран-235 или плутоний-239). В результате реакции распада избыточная масса излучается в виде лишних нуклонов (нейтронов или протонов) с выделение большого количества энергии.
Атомная бомба на основе урана -235 стала первым ядерным оружием и была сброшена США на японский город Хиросима в 1945 г. Эта бомба весила 2722 кг и имела ядерный заряд из обогащенного урана-235 массой 20 кг.
Детонирование ядерного заряда в такой бомбе происходит, когда соединяются две части уранового заряда , обладающие докритической массой .
Для взрыва ядерной бомбы содержание урана-235 в ядерном заряде не должно быть ниже 80 %, поэтому природный уран приходится обогащать.
Критическая масса урана-235, превышение которой необходимо для проведения неуправляемой ядерной реакции, достаточно велика.
Поэтому урановые бомбы на данный момент не распространены.
Современные более совершенные атомные бомбы производятся на основе, например, плутония, обладающего более низкой критической массой.
Первая атомная плутониевая бомба на основе плутония-239 , сброшенная США на Нагасаки в 1945 г., была с зарядом из плутония-239 (массой 5 кг), 3.5 м в длину и 1.5 м в диаметре, мощностью более 20 кт и весила 3175 кг.
Плутониевая атомная бомба представляет собой подобие нескольких сфер , вложенных друг в друга:
- внутри корпус бомбы окружен оболочкой из обычного взрывчатого вещества, создающего при ударе и взрыве ударную волну к центру;
- далее идет оболочка из алюминия, разделяющая взрывчатое вещество и ядерный заряд;
- затем ближе к центру - оболочка из урана, служащая отражателем для нейтронов;
- следующий слой - сам ядерный заряд из плутония-239. Критическая масса плутония составляет 9,65 кг, хотя эту массу можно и уменьшить, предварительно сжав плутоний в результате взрыва обычной взрывчатки.
- в центре находится шар радиусом порядка 2 см из бериллия, покрытый слоем полония или плутония-238, который после действия взрывчатки смешивается с бериллием и дает мощный выброс нейтронов, необходимых для резкого снижения критической массы плутония и ускорения начала реакции.
Книги по физике
Викторина по физике
Физика в кадре
Учителю
Решение задач
Презентации
Читайте также: