Цель: сформировать у учащихся представление о цепной ядерной реакции, выяснить условия ее протекания. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания. Повторение

-     Из чего состоит ядро?

-     Какую массу имеют нейтроны? Каков заряд нейтрона?

-     Каков состав ядра натрия Na?

-     Сколько нейтронов содержит изотоп урана U ? Чему равно число протонов в ядре?

-     Что можно сказать о зарядах протона и электрона?

-     Чем отличается химический элемент и его изотоп?

III. Изучение нового материала

Цепная реакция деления ядер урана.

В 1940 г. Г. И. Флеров и В. Петргиан обнаружили самопроиз­вольное (спонтанное) деление ядер урана.

В 1938 г. Г. Ган и Ф. Штрассман открыли: ядра урана при бом­бардировке его нейтронами образуют другие элементы. А объяснение этому явлению было дано в 1939 г. австрийским физиком Л. Майтнером и английским физиком О. Фришем. (Бомбардировка нейтронами дает ²Uи, который распадается на цезий и рубидий.)

Позже обнаружили, что при бомбардировке нейтронами ²Uи об­разуется 80 различных ядер. Этот процесс происходит с выделением энергии 200 мЭВ 3,2-10"" Дж. Энергия выделяется в виде:

а) Е_к осколков « 2,6-10"'' Дж;

б) Е_к нейтронов да 0,1-10"" Дж;

в) α-излучения и 0,5-Ю"¹¹ Дж;

г) β-излучения.

Механизм деления

Н. Бор предложил капельную модель ядра атома. Она дает пред­ставление о ядре как о положительно заряженной капле жидкости. Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном состоянии и подобно капле ртути при толчке начинает колебаться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения станет больше энергии связи, то за счет кулоновских сил ядро разорвется на две части, которые раз­летятся в противоположные стороны. Таким образом, кинетическая энергия новых ядер обусловливается кулоновскими силами.

Цепная реакция деления ядер урана - это реакция, в которой час­тицы (нейтроны), вызывающие эту реакцию, образуются в процессе деления ядра. Для осуществления цепной реакции пригодны лишь

ядра ²Uи . Естественный уран состоит из ²Uи (0,7%), ^гUu (97,3%). Ядра ²Uu делятся как быстрыми, так и медленными нейтронами. ^гUи - только быстрыми с энергией 1 МэВ. Нейтронов с такой

энергией при делении 60 %, но только один из пяти производит де­ление.

Цепную реакцию чистого изотопа ²Uи осуществить медленными нейтронами невозможно. Для ее течение необходимо, чтобы коэф­фициент размножения нейтронов был > 1. В этом случае число нейтронов увеличивается или остается постоянным и цепная ре­акция протекает.

При к < 1 число In убывает и цепная реакция невозможна.

Коэффициент размножения увеличивается при захвате медлен­ных  ядром ²Uи или быстрых In ядрами ²Uи и ²Uи с после­дующим делением.

Уменьшается при захвате нейтрона ядром без последующего де­ления, при вылете нейтрона из делящегося вещества, при захвате нейтрона продуктами деления, замедлителями и конструктивными элементами установки.

С целью уменьшения вылета  увеличивают массу урана. Ко­личество распавшихся ядер пропорционально массе урана, которая растет быстрее, чем площадь его поверхности.

Минимальное значение массы урана, при которой возможна цеп­ная реакция, называется критической массой. В зависимости от уст­ройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 250 г до сотен килограммов.

Существуют два вида ядерных реакций: неуправляемая цепная реакция и управляемая цепная реакция.

Ядерные реакторы в зависимости от взаимного размещения го­рючего и замедлителя подразделяются на гомогенные и гетероген­ные. В гомогенном реакторе активная зона представляет собой одно­родную массу топлива, замедлителя и теплоносителя в виде раство­ра, смеси или расплава. Гетерогенным называется реактор, в котором  топливо в виде блоков или тепловыделяющих сборок размещено в замедлителе, образуя в нем правильную геометрическую решетку.

При работе реактора в тепловыводящих элементах (твэлах), а также во всех его конструктивных элементах в различных количест­вах выделяется теплота. Особенность ядерного реактора состоит в том, что 34 % энергии деления превращается в теплоту практически мгновенно, т. е. за время, в течение которого мощность реактора или плотность материалов в нем не успевает заметно измениться. Поэто­му при изменении мощности реактора тепловыделение следует без запаздывания за процессом деления топлива.

Однако при выключении реактора, когда скорость деления уменьшается более чем в десятки раз, в нем остаются источники за­паздывающего тепловыделения (гамма- и бетта-излучение продук­тов деления), которые становятся преобладающими.

Мощность ядерного реактора пропорциональна плотности потока нейтронов в нем, поэтому теоретически достижима любая мощность. Практически же предельная мощность определяется скоростью от­вода теплоты, выделяемой в реакторе. Удельный теплосъем в совре­менных энергетических реакторах составляет 10²-10³ МВт/м³, в вих­ревых-10⁴-10⁵ МВт/м³.

IV. Закрепление изученного материала

-     Что называют цепной ядерной реакцией?

-     Благодаря чему оказалось возможным осуществление цепной ядерной реакции деления?

-     Что называют коэффициентом размножения нейтронов?

-     Чем вызвана необходимость замедления нейтронов, испускае­мых при делении ядер?

-     Перечислите условия протекания цепной ядерной реакции в уране-325.

V. Подведение итогов урока

Домашнее задание

§  60. Упражнение 47. Задачи с  задачника по Рымкевич А.П