Производить плутоний

Атомная бомба и атомный взрыв (для создания атомной бомбы необходимо, чтобы доля урана-235 достигала 20%, в США – 90%). Для создания первых атомных бомб нужно было решить многие практические задачи:

- обработка природного урана с целью извлечения из него изотопа урана-235 высокой степени чистоты (0,9999);

- получение плутония-239 из урана-238 при мощном воздействии нейтронов;

- создание конструкции, в которой соединение отдельных блоков, имеющих размер меньше критического, в единый блок происходило бы достаточно эффективно;

- создание испытательного полигона совершенно нового типа;

- создание средств доставки бомбы к точке взрыва.

Диффузия газообразного урана через пористые перегородки (США). В установке по разделению изотопов урана (СССР) центрифуга радиусом 1 м делает 16 тысяч оборотов в минуту (разделение по плотности). Поражающие факторы ядерного взрыва. КПД атомной бомбы 10 – 30%. «Отец» атомной бомбы в СССР И.В. Курчатов.

«Хороша наука – физика! Только жизнь коротка!».

И.В. Курчатов

"Нельзя допустить, чтобы люди направляли на свое собственное уничтожение те силы природы, которые они сумели открыть и покорить".

Ф. Жолио -Кюри

V. §§ 98-99 Упр. 13 № 7

"Пусть будет атом рабочим, а не солдатом!"

М. Блудов

Урок 30. ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников с принципом действия ядерного реак­тора. Дать представление о возможностях преобразования ядерной энер­гии в другие виды энергии; познакомить учеников с работой АЭС.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: диафильм "Атомное ядро", кинофрагмент "Получение ядерной энергии^".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Деление ядер урана. 2. Цепная ядерная реакция.

Задачи:

1. Сколько нейтронов будет в сотом поколении, если процесс деления начинается с 1000 нейтронов и происходит в среде с коэффи­циентом размножения 1,05? Во сколько раз при этом увеличивается мощность ядерного реактора?

2. Какая масса урана-235 подвергается делению при взрыве атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 килотонн, если тепловой эквива­лент тротила 4,1 МДж/кг? Считать, что при делении одного ядра U-235 освобождается 200 МэВ энергии.

III. Топливо в ядерных реакторах и управляемая реакция деления. Блок-схема реактора. Основные элементы водо-водяного реактора (таб­лица). Замедлитель нейтронов и теплоноситель - вода (медленные ней­троны в 600 раз эффективнее быстрых). Ядерное топливо – обогащенный уран (менее 10% урана -235). Регулирующие стержни, Осуществление в ядерном реакторе управ­ляемой реакции деления.

Образование плутония:

Реакторы на быстрых нейтронах (обогащение урана превышает 20%); их основное преимущество (более компактны, поскольку им не нужны ни замедлители, ни отражатели нейтронов).

Основные особенности АЭС:

1. Чрезвычайно высокая "теплота сгорания" ядерного горючего.

2. Невозможность полного сгорания топлива за одну загрузку (раз в полгода и более выгоревшее топливо заменяется новым).

Справка: В водо–водяном реакторе мощностью 3 ГВт начальный состав топлива: U – 77350 кг, U – 2630 кг, U – 20 кг. Состав извлеченного топлива через 3 года: U – 75400 кг, U – 640 кг и т.д. Масса загруженного топлива на 3 кг превосходила массу выгруженного топлива.

Отличие АЭС: вид и обогащение топлива, по материалу замедлителя, по виду теплоносителя. Схема теплопередачи АЭС (по кадрам диафильма).

В настоящее время в мире эксплуатируется 446 энергоблоков АЭС, которые расположены в 30 странах и обеспечивают 17% общемирового производства электроэнергии. Сегодня в России действуют 12 АЭС, в составе которых 32 ядерных энергоблока общей мощностью 22,2 ГВт.

IV. Задачи:

1. Какое количество энергии выделяется в атомных реакто­рах ледокола "Ленин", если в сутки расходуется 62 г изотопа урана-235?

2. Сколько граммов урана потребляет урановый котел в час при КПД 30%, если его мощность равна 1 ГВт?

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ (получение золота). В 1947 году американские физики впервые получили золото из ртути в реакции: . Изотопа ртути – 196 в природе мало (для получения 34 грамм золота необходимо 50 кг ртути). Самый мощный источник нейтронов (ядерный реактор) должен облучать ртуть 4,5 года. На выделение капельки золота из ведра ртути необходимо еще затратить энергию. Цена добытого таким образом золота в сотни раз превысит его цену на мировом рынке. Получение золота из других изотопов обойдется еще дороже.

V. § 100

1. Подготовить пятиминутное сообщение о жизни и научной деятельности И.В. Курчатова.

"…в многой мудрости много печали; и кто умножает познания, тот умножает скорбь".

Екклесиаст

Урок 31. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с условиями протекания управляемых термоядерных реакций и перспективами развития ядерной энергетики России.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: кинофильм "Ядерная энергетика в мирных целях".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 15 мин

4. Закрепление 15 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Ядерный реактор. 2. АЭС.

Задачи:

1. Какая электрическая мощность атомной электростанции, расходующей в сутки 220 г изотопа урана-235 и имеющей КПД 25%?

2. Какая энергия выделяется при ядерной реакции:

Вопросы:

1. Почему вещества, занимающие места в середине и конце таблицы Менделеева, не применяют в качестве замедлителей нейтронов?

2. Почему в водо-водяных реакторах используют в качестве замедлителя тяжелую, а не обычную воду?

III. Обосновать возможность термоядерного синтеза на основе анализа графика удельной энергии связи. Возможные схемы термоядерного син­теза:

Неуправляемая термоядерная реакция. Преодоление кулоновского оттал­кивания частиц (Т = 10·10⁶ К). "Запал^" - атомная бомба.

В водородной бомбе специальная капсула, заполненная смесью дейтерия и трития, окружается урановым или плутониевым зарядом. Под действием ядерного взрыва, направленного внутрь капсулы, обеспечиваются усло­вия, необходимые для протекания термоядерной реакции.

Взрыв Майк 1 ноября 1952 г (атолл Бикини ). Это была не бомба, а целая установка массой 60 т с жидким дейтерием при низкой температуре. Через пару лет на полигоне Семипалатинск был испытан отечественный вариант компактной водородной бомбы, в которой взрывчаткой служил дейтерид лития ²D ⁶Li. При взрыве атомного «запала» появлялся мощный поток излучения и нейтронов, под действием которых дейтерид лития распадался на изотоп лития и дейтерий. Необходимый тритий возникал в момент взрыва атомной бомбы в реакции: .

"Мы сделали дело дьявола".

Р. Оппенгеймер – один из «отцов» водородной бомбы в США

"Если блеск тысяч солнц Разом вспыхнет на небе,

Человек станет Смертью,

Угрозой Земле".

Бхагават - Гита

Термоядерные реакции в недрах Солнца и звезд.

Цикл ядерных превра­щений в недрах Солнца.

Благодаря слабому взаимодействию протон преобразуется в нейтрон. Углеродно-азотный цикл.

Проблемы управляемого термоядерного синтеза. Получение горячей плаз­мы: n = 10¹⁵ см ^-3, Т = 10⁶ К. В 1968 г удалось получить плазму: n ≈ 10 ¹³ см^-3; Т ≈ 5·10⁶ Кл.

Проблемы удержания горячей плазмы. Токамак (токовая камера с магнитными катушками). На большом токамаке (США) была достигнута температура 4·10⁸ К, время удержания плазмы до 10 с, мощность 10 МВт. Начато строительство международного экспериментального реактора (): объем плазмы 2000 л, мощность 500 МВт, стоимость 5 млрд. евро. Почему технически очень сложно осуществить управляемую термоядерную реакцию на установках типа токамак?

Лазерный комплекс. Комплекс состоит из 192 мощных лазеров, которые будут одновременно направляться на миллиметровую мишень. Температура мишени будет достигать десятков миллионов градусов, при этом она сожмется в 1000 раз.

"Плазма – это крайне капризная субстанция, которая очень хорошо живет, пока ее не ограничивают. Но если ограничить степени ее свободы, она всячески начинает сопротивляться внешнему вмешательству".

Л.А. Арцимович

Наиболее перспективной в отношении высвобождения ядерной энергии является реакция: Н + Н → Не + n + 17,6 МэВ. Дейтерий присутствует в природном водороде в концентрации 0,015 % и может быть выделен в процессе переработки (электролиза) морской воды. Тритий β-радиоактивен с периодом полураспада 12 лет. Его получают в реакции: Li + n → H + He + 4,8 МэВ. Для увеличения выхода нейтронов в реакторе можно использовать бериллий-9: Ве + n → 2· Не + 2·n. Эта реакция идет по типу цепной реакции. Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Использование атомной энергии. Атомная энергетика России.

Наиболее экологически чистая реакция: . Лунный грунт богат гелием – 3 (солнечный ветер).

IV. Демонстрация кинофрагмента "Ядерная энергия в мирных целях".

Задачи:

1. Если природный дейтерий использовать в реакции ядерного синтеза, то сколько энергии можно получить из 1 кг воды? Сравните полученную величину с энергией, извлекаемой при сгорании 1 кг бен­зина (около 5·10⁷ Дж).

2. В ядерной реакции Н + Н → Не + γ образуется медленно движу­щаяся по сравнению со скоростью света α -частица и квант света с энергией 19,7 МэВ. Пренебрегая скоростями вступающих в реакцию ядер, найдите скорость образовавшейся α - частицы. Энергию покоя α - частицы принять равной 3730 МэВ.

Вопросы:

1. Что вы теперь знаете об атомном ядре?

2. Почему с повышением температуры плазмы она перестает нагреваться электрическим током?

3. Приведите примеры природных термоядерных реакторов.

4. Почему выделение внутриядерной энергии возможно как при реакциях деления тяжелых ядер, так и при синтезе легких ядер?

V. § 101

1. Каков КПД атомной бомбы и водородной бомбы? За расчет КПД атомной бомбы Л.Д. Ландау получил орден Ленина и Государственную премию второй степени, за водородную – звезду Героя и Государственную премию первой степени.

"Грубая сила, не подкрепленная мудростью, гибнет под собственной тяжестью.

Гораций

Урок 32. ПОЛУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников с применениями радиоактивных изото­пов в народном хозяйстве, медицине и в других областях. Дать пред­ставление о биологическом действии радиоактивных излучений и их экологической безопасности.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: кинофрагмент "Ядерные реакции".

ПЛАН УРОКА: 1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 5 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Термоядерные реакции. 2. Практическое использование термоядерной энергии»

Задачи:

1. Энергия излучения Солнца возникает вследствие цепочки ядерных реакций слияния, конечным результатом которых является пре­вращение четырех атомов водорода в один атом гелия. Определить, сколько воды можно было бы нагреть от 0⁰С до кипения за счет прев­ращения в гелий 4 г водорода.

2. Реакцию термоядерного синтеза Н + Н → Не + n изу­чают, направляя ускоренные до энергии 2 МэВ ядра дейтерия на тритиевую мишень. Детектор регистрирует нейтроны, вылетающие перпендикулярно направлению пучка ядер дейтерия. Определите энергию регистрируемых нейтронов, если в реакции выделяется энергия 1 7,6 МэВ.

III. Изотопы. Радиоактивные изотопы. Получение радиоактивных изото­пов (продукты распада урана в ядерном реакторе). Облучение образца. Мощные ускорители. Получение: плутоний - 238, америций-241, строн-ций-90, тулий-170 и т.д.

Применение радиоактивных изотопов:

Металлургия:

· Выявление факторов влияния на чугунно - и сталеварение (контроль содержания фосфора и серы).

· Контроль состояния внутренних полостей доменных печей.

· В лабораториях для изучения структуры сплавов.

· Гамма-дефектоскопия. Нейтронно-структурный анализ.

· Радиоизотопные следящие уровнемеры.

· При производстве проката для непрерывного измерения толщины стальной ленты.

Машиностроение:

• Определение степени износа движущихся частей машины.
• Непосредственная сигнализация о допустимом износе детали.

Текстильная промышленность: Для снятия статического заряда (ионизация воздуха).

Строительство:

Контроль плотности бетона. Сельское хозяйство: Консервация сельхозпродуктов. Космонавтика:

Энергетическая печка "Луноход-2" на .

Биология:

• Метод "меченых" атомов.
• Радиоуглеродный анализ ( C образуется в верхних слоях атмосферы).

Дополнительная информация: В ионизационных детекторах дыма имеется источник -излучения, ионизирующий воздух между металлическими пластинами-электродами, электрическое сопротивление между которыми постоянно измеряется с помощью специальной схемы. Образующиеся в результате -излучения ионы обеспечивают проводимость между электродами, а оказывающиеся там частицы дыма связываются с ионами и электронами, нейтрализуя их заряд и увеличивая таким образом сопротивление между электродами, на что реагирует электрическая схема.