Урок 22. Принцип действия ядерных реакторов
Предмет: Естествознание, 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 22. Принцип действия ядерных реакторов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Ядра каких атомов участвуют в реакциях в ядерных реакторах;
Типы ядерных реакторов;
Принцип действия ядерного реактора;

Глоссарий по теме:

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:

Задание 1: Вставьте пропущенные слова: «Реактор на медленных нейтронах – ядерный реактор, ______________ зона которого, кроме ядерного горючего содержит еще ___________ _________________».

Правильный вариант:

Активная, замедлитель нейтронов.

Задание 2: Выберите и подчеркните конструктивные элементы, входящие в активную зону реактора

Варианты ответов:

Отражатель
Регулирующие стержни
Парогенератор
Замедлитель

Правильные варианты: 1), 2), 4)