Ядролық энергетика туралы жалпы мағлұмат

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 15 бет
Таңдаулыға:

Жоспар

I.Кіріспе

Ядролық энергетика туралы жалпы
мағлұмат ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1

II.Негізгі бөлім.

1.Ядролық энергиялардың мүмкін
көздері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1-6
2.Қосымша (факультатив) сабақта ядролық энергетика туралы пікірталас
өткізудің
әдістемесі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ..6 -11
3.Ядролық энергетиканың қоғамдағы (табиғаттағы) алатын орнын физика
пәнімен
байланыстыру ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... .11-12

III.
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ..12-13

Кіріспе.

Мектепте физика пәнін оқытудың негізгі мәселелерінің бірі “Ядролық
энергетика және оның қолдану роблнмасы” анықтау мүмкіндігінше оқушыларға
тақырыптың мазмұнын жеткізе алу, жалпы білім беру орта мектептеріне
арналған бағдарлама бойынша энергетика, ядролық энергетика ұғымдары,
мұндағы заңдылықтар 11 – сынып соңында қарастырылады.Осы аралықта
оқушылардың мамандық таңдауына байланысты тақырыптың көкейкестілігі
білінеді, сондықтан физикадан оқыту әдістемесін жетілдіру мақсатында
курстық жұмыстар мына мәселелерді қарастырады:
Энергетика - ауқымды ұғым. Қазіргі ұғым бойынша энергетика (немесе
энергетика шаруашылығы) дегеніміз энергетикалық қорлар мен энергияны
өндіру, жақсарту,өңдеу, түрлендіру, сақтау, тасымалдау, тарату және
пайдалану болып отыр.
Қазіргі кезде пайдаланатын энергияның негізгі түрлері: жылу және
электр.Жылу және электр энергиясын алуды, түрлендіруді, тасымалдауды және
пайдалануды зерттейтін энергетика салаларын жылу энергетикасы және электр
энергетикасы деп атайды. Су қуатын электр қуатына айналдыру мәселелерін
зерттейтін энергетика саласын су энергетикасы дейтіндігіне назар аударады.
Атом ядросының қуатын зерттеу, пайдалану энергетиканың жаңа саласын
атомдық немесе ядролық энергетиканы тудыратындығы айтылады. Ядролық
құбылыстардың қуаты жылуға, сосын электрлік энергияға түрленеді және сол
түрлерде пайдалану арқылы, қозғалатын ауа қуатын пайдалану мәселелерімен
жел энергетикасы айналысатындығы айтылады. Осы орайда дәстүрлі емес қуат
көздеріне Күн энергиясы,Жер асты су энергиясы және т.б. қуат көздерін
пайдалану жататындығын оқушыға түсіндіру бейдәстүрлі немесе дәстүрлі емес
энергетиканы зерттеу.
Сабақ өту барысында Қазақстанда электр энергиясының шамамен 90% жылу
электр стансалары (ЖЭС) арқылы, ал қалған 10% су электр стансалары (СЭС)
арқылы өндіріледі. Республикамызда тек Ақтау қаласында ғана шапшаң нейтрон
негізінде жұмыс істейтін (БН - 350) атом электр стансасы (АЭС) айтылады.
Экзотермиялық ядролық реакция нәтижесінде үлкен энергияның бөлінуі
энергияны макроскопиялық масштабта алу мақсатында қызықтыра
бастады.Шынындада химиялық кейбір реакциялар нәтижесінде алынатын энергия
шамасы ең көп болғанда электронвольт болса, ал ядролық реакция нәтижесінде
алынған энергия шамасы мегаэлектронвольтпен өлшенеді. Бірақ макроскопиялық
масштабтағы ядролық энергияны алатын қондырғыны жасау оңай емес.
Алдымен көптеген экзотермиялық ядролық реакциялар ішінен ядролық
энергия жарайтын түрін табудың өзі оңай емес.
Қазіргі кезде мұндай реакциялардың екі түрі бар: ауыр ядроларды
нейтрондармен бөлу және жеңіл ядролардың кейбір синтездік реакциялары.
Нейтрондардың әр түрлі ортадағы ерекшеліктерін анықтауда қолданылған
тізбектік бөлінуінің физикалық қасиетін үйрену барысында өте көп еңбек
етілді.Жоғарыдағы айтылғандарға орай, ядролық энерегетиканы зерттеу,
оқушыларға білім беру мәселелерін талқылау. Ядролық энергетиканы қолдану
проблемасын шешуге септігін тигізуі тиіс. Сондықтан, физика пәнін оқыту
барысында пәнге қызықтыру, оқушыға өзі

2.1 Ядролық энергиялардың мүмкін көздері.

Ядролық реакцияның болатындығын жалпы жағдайда меншікті байланыс
энергиясының қисығын пайдалана отырып айта аламыз. Бұл қисықтан массалық
санның А артуына байланысты меншікті байланыс энергиясы алдымен
артатындығын, А≈50÷60 максимумға жететіндігін (темірлік деп аталатын) одан
соң азаятындығын көреміз.Ядролық реакция экзотермиялық болады, егер соңғы
ядро байланысы алғашқыға қарағанда күштірек болса.Сондықтан жеңіл ядролар
үшін экзотермиялы деп үлкен ядроның синтез реакциясы, ал ауыр ядролар үшін
үлкендеу жарық жақтарға реакциялары алынады.
Меншікті байланыс энергияларының қисығында шетіне қарай
иілген.Сондықтан жеңіл ядролар үшін синтез реакциясы, ал ауырлар үшін
ыдырау реакциясы ең тиімді энергетикалық реакциялар болады.
Бірақ реакцияның экзотермиялығымен шектелмейміз.
Реакция тек ядролық энергетикада пайдалану үшін ғана емесе сонымен
қатар жалпы екі шартты қанағаттандыруы қажет:
1)реакцияға қажетті материалдар жеткілікті мөлшерде болуы қажет;
2)реакция макроскопиялық мастабта жүргізілуі керек.
Бұл шарттарды жеке – жеке қанағаттандыруға болады, ал екеуін бірдей
орындау өте сирек кездеседі. Бірінші шартқа қатысты тұрақты изотоптармен,
табиғатта кездесетін ұзақ өмір сүретін тұрақсыз изотоптармен,
бөлшектермен немесе изотоптар қолдана отырып үлкен масштабта
экзотермиялық реакцияларды алуға болады. Ядролық реакциялардың қандай
түрлерін макроскопиялық деп қарастыруға болады, соны қарастырайық. Барлық
атом ядролары бірдей таңбалы электр зарядына ие болады.
Сондықтан ядролардың бірі – біріне жақындауына тебуші кулондық
күштер әсер етеді. Тебілуді жеңіп белгілі бір реакцияласа алатындай
арақашықтыққа жақындау үшін ядро жеткілікті үлкен салыстырмалы кинетикалық
энергиямен соқтығысуы қажет. Бұл энергиялар реакция түріне байланысты
өзгеріп отырады, бірақ қандай жағдайда да КэВ кем емес. Одан басқа,
осындай энергиясы бар ядролар өте көп болуы керек. Яғни 100 Втсм3 энергия
бөлінгенде, реакцияда секундында см3 көлемге 1014-1015 ядро келіп тұруы
керек, егер жеке реакцияларда бөлінетін энергия бірнеше Мэв десек. Ядроның
килоэлектронвольт кинетикалық энергиясының масштабын макроскопиялық
тұрғыдан бағалау үшін мынадай мысал қарастыра аламыз, 10кмс реттік
жылдамдықпен ұшып бара жатқанда ракетада, бір атомға киентикалық энергияның
эв- ның ондық бөлігінен аспайды, ал 104 0К температурада еркіндік
дәрежесінің біреуіне келетін энергия бір электронвлоьтқа тең болады.
Кулондық барьер шамасы Z1 Z2 соқтығысушы ядролардың атомдық реттерінің
көбейтіндісіне пропорционал, яғни зарядталған ядролардың соқтығысу
реакциясының болашағы жеңіл ядролар реакциясының практика жүзінде
орындалатындығында. Кулондық барьер ядромен бейтарап бөлшек соқтығысқанда
болмайды. Бірақ бейтарап бөлшек әсер қатысында болмайды. Бірақта ядролық
реакцияны өндірісте пайдалануды бейтарап бөлшектердің – нейтрондармен
реакциясы негізінде шешілді. Экзотермиялық реакция нәтижесінде
нейтрондардың әсерінен ауыр ядролар бөлінуі жаңа нейтрондардың пайда
болуына әкеледі. Әрбір 92U235 уран ядросы бөлінгенде орташа 2.4 нейтрон
пайда болады. Ортада 92U235 бөлінуінде бір ядро бөлінді десек, онда екі, не
үш жаңадан нейтрондар пайда болады. Әрине жаңа нейтрондардың бірлі жарымы
сыртқа кетуі мүмкін бірақ қалған бөлігі қайтадан жаңа ядролар тудырады.
Бір кезеңдегі нейтрондардың өмір сүру уақыты 10-7 ÷10-8 с. Сондықтан
айтайық 80 кезеңге 10-5÷10-6с уақыт қажет болады екен. Осы уақыт
аралығында ортада 280≈1023 нейтрон пайда болып, олар уран 1024 ядросының
бөлінуіне (140 г шамасында) мүмкіндік жасайды және 3*1013 Вт энергия бөліп
шығарады. Осындай процесс тізбектік реакция делінеді. Реттеуге көнетін
тізбектік реакциялар құрамына практика жүзінде әртүрлі үш изтоптарда
жүргізуге болады.Олар уранның екі изотобы 92U235 және 93U233 санымен қатар
плутонии изотобы 94Pu239.Бірінші изотоп табиғатта кездеседі, ал соңғы
екеуін өндірісте жасанды жолмен алуға болады. Жеңіл ядроның синтез
реакциясының ішіндегі энергетика келешегін жарамдысы келесі үшеуі болып
табылады:

d + d→1H3 + p + 4 Мэв,
(1)
d + d→ 2 He3 + n + 3.28 Мэв, (2)
d + 1 H3 → He4 + n + 17.6 Мэв, (3)

Осындай реакциялар кезіндеде бөлшектерге әсерлесу күштерді жеңетін энергия
беру өте қиын.
Қазіргі кезде ядролық синтез реакциясына негізделген энергетикалық
қондырғыларды тек ядро қоспасын өте жоғарғы температураға дейін қыздыру
арқылы алуға болады. деп есептейді. Мұндай реакциялар Жану реакциясы
сияқты, өте жоғары температурада жүргізіледі. Сапалық айырмашылығы реакция
үшінде тұтану температурасы ондық дәрежемен қатар жүздік миллион градусты
көрсетеді.
Термоядролық реакциялардың температураларында кез – келген дене
иондалады, яғни төртінші күйге ауысады, соның нәтижесінде дене плазмаға
айналады. Термоядролық қондырғыны пайдаланып энергия алуды үш деңгейге
бөлуге болады: а) нольдік п.ә.к. жұмыс істейтін стационар қондырғы
құрастыру; б) өндіретін энергия шамасы, реакция кезіндегі жұмсалатын
энергиядан көп, п.ә.к. бірден үлкен болатын қондырғы құрастыру; в)
экономикалық жағынан тиімді қондырғы құру.
Бұл деңгейлердің қиындығы жоғарғы температурадағы плазманы жұмыс
істеу көлемінде ұстап тұра алмауында.Кез – келген істелінген ыдыс
қабырғалары буға айналып кетеді, себебі ыдыста плазмалық күйге айналады.
Плазмалық күйді белгілі көлемде ұстау үшін арнайы конфигурациялық
көлемдегі күшті магнит өрісін пайдалануға үміт бар.
Тек экзотермиялық ядролық реакцияда ғана ішкі ядролық энергия
бүлінбейді, сонымен қатар радиоактивті ыдырау процесінде де
бөлінеді.Радиоактивтілікке қатысты жұмыс істейтін энергия көздерінде үлкен
қуат болмайды, себебі жартылай ыдыраудың кішкентай периодына энергия
көзінің әсері аз уақыт аралығында болады, ал ұзақ өмір сүретін радиоактивті
ядросында қуатты энергия бөліну үшін өте көп активті дене болуы керек.
Сондықтан радиоактивті энергия көздері үлкен емес электр энергиясы
пайдаланатын жерлерде қолданылуда. Синтез және бөліну процесі кезінде
реакцияға қатысатын ядролардың 0.1 ÷ 0.3% ғана тыныштық энергиясы
бөлінетіндігін есептеуге болады.
Осындай ғылыми зерттеу жұмысын сабақта көрсету арқылы оқушының
физика, ядролық физика курсын терең оқуына ынталандыруға болады деп
есепиейміз.
Тереңдетіп физика пәні оқытылатын сынып оқушыларына қосымша
әдістемелік зерттеу жұмысы мына сұрақтарға жауап іздеуге тапсырыс беріледі.

Мұнан тыныштық энергиясы толығымен бөлініп шыға ма деген сұраққа жауап
береді. Ол үшін нуклондар әлдеқайда жеңіл бөлшектерге – пиондарға,
лептондарға, фотондарға айналатынын айтады. Бірақ нуклондар бариондық
зарядтардың сақталу заңы бойынша бұзылмайды. Бірақ ешқандай сақталу заңдары
дене және анти дене аннигиляциясы (антинуклондармен позитрондардан
тұратын) тыныштық энергиясының бөлініп шығуын тоқтата алмайды.
Аннигиляция кезіндегі меншікті энергия бөліну екі – үш ретке
қолданылыстағы ядролық энергетикалық қондырғылардың энергия бөлінуін
арттыратын еді. Бірақ антидене табиғатта жоқ екенінне назар аударады.

Тізбектік бөліну реакциясы туралы мағлұмат беріледі

Макроскопиялық тұрғыдан қарағанда тізбектік реакцияның бөлінуі осы
уақытқа дейінгі белгілі диффузия және жұтылудың тежелу процестерінің
нәтижесінде нейтрондардың көбейюінен болады. Мұндай орта активті зона деп
аталады. Нейтрондардың ортада көбею коэффециенті К∞ , қажетті физикалық
шама немесе нейтрондардың көбею интенсивтілігін сипаттайды. Көбею
коэффициенті бір кезеңдегі нейтрондар санының өткен кезеңдегі нейтрондар
санына қатынасымен анықталады. Ядролық бөлінуде кезеңдер ауысуы дегеніміз
ескі кезеңдегі нейтрондардың тұтылып, жаңа нейтрондардың пайда болуы.
Индекс ∞ шексіз идеал орта туралы айтылып жатқанын көрсетеді. К∞ шамасы
нейтрондардың көбею коэффициенті К физикалық жүйеде анықталатындығын
көрсетеді. Коэффициенті К нақты қондырғының сипаттамасы.Егер бірінші
кезеңде N нейтрон болса, онда n кезеңде Nkn болады. Сондықтан k=1
болғанда тізбектік реакция стационар жүріп өтеді, k 1 жағдайында К1
реакция интенсивтілігі артады. k =1 реакция режимі критикалық, К1
критикалықтан жоғары, к1 болғанда критикалықтан төмен болады.
Бір кезеңнің өмір сүру уақыты ортаның қасиетіне байланысты болады
және 10-4- нен 10-8 с аралығында болады. Уақыттың өте аз болғандығынан
тізбектік реакцияның дұрыс өтуі үшін к=1 теңдігінің дұрыс болуы қажет.
Алдымен көбею болу үшін бөліну реакциясы (n ,f) кезінде жеткілікті
мөлшерде нейтрондар бөлінуі керек. Сондықтан К∞ анықтайтын алғашқы шама
бір бөліну акті кеғзіндегі шығарылатын нейтрондардың орташа шамасына ν
байланысты.Неитрондардың орташа саны ν отын түріне және нейтрондардан
төгілетін энергияға тәуелді.

Кесте 1.1

Ядро 92U233 92U235 94Pu239
Тепловые нейтроны ν 2,52 2,47 2,91
(Е=0,025эв) 2,28 2,07 2,09
η
Быстрые нейтроны ν 2,7 2,65 3,0
(Е=1 Мэв) 2,45 2,3 2,7
η

Нейтрондардың ауыр ядромен соқтығысуы нәтижесінде реакциялық жаулау
(n ,γ) жүріп өтеді. Бұл процесс көбею коэффициентін азайтады. Мұнан келіп
К∞ коэффициентіне әсер ететін екінші физикалық шама к, себебі изотоп
бөлінуі кезіндегі нейтрондарды ядроның жаулауындағы ықтимал бөліну бұл
моноэнергетикалық нейтрондар ықтималдылығы үшін мынаған тең

Мұнда σnf, σnγ – бөліну қимасымен реакциялық жаулау.
Нейтрондардың бөліну актынғы санымен радиациялық жаулау
ықтималдылығының біріккен η коэффициенті енгізіледі, шамасы жағынан
бөлінетін ядроның нейтронды бір жаулау кезіндегі жаңартылған нейтрондар
санының орташа мәніне тең.∞

η шамасы отын түрімен нейтрондар энергиясына байланысты η мәні ядролық
отынның бірден – бір қажетті сипаттамасы болып табылады. Тізбектік реакция
тек η 1 мәнінде ғана жүреді. Η мәні қаншалықты көп болған отын сапасы
соғұрлым жоғары болады.
Біртекті ортада тек бөлінетін бір түрлі изотоптар болса, онда көбею
коэффициенті η тең болады. Бірақ практикада бөлінетін ядролармен қатар
бөлінбейтін ядроларда кездеседі. Осы ядролар нейтрондарды ұстап қалып көбею
коэффициентіне әсерін тигізеді. Мұнан К∞, К коэффициенттерін анықтайтын
үшінші шама, бөлінбейтін ядролардың кейбіріне нейтрон ұсталмау
ықтималдылығы болып табылады. Жақсы қондырғыларда “бөгде” ұстауы 92 U238
уран ядросының тізбектік реакцияға жарамсыздарында, тежегіш ядроларда және
әр түрлі элементтер ядросында болады.Бөлінетін ортада нейтрондардың бір
бөлігі актив зонадан сыртқа кетеді. Сондықтан, К коэффициенті тағы да
нейтронның актив зонадан кетпеу ықтималдылығына байланысты

К = К∞Р
Р шамасы актив зонаның құрамына, шамасына, формасына, сонымен қатар
нейтрондарды актив зонаны қоршаған дене қаншалықты дәрежеде шығылыстырады
соған байланысты.
Нейтрондардың актив зонадан тыс кете алуына байланысты критикалық
масса және критикалық шамалар деп К=1 мәніндегі актив зона размері
айтылады.
Критикалық масса деп критикалық шамалардың актив зонасының массасын
айтамыз.
К∞1 болған күннің өзінде критикалық масса төмендегенде реакция жүрмейді.
Керісінше критикалық массаны арттырса реакцияны игеру мүмкін болмайды
жарылысқа әкеп соғады.

“Ядролық энергетика эәне оның қолданылу проблемалары” тақырыбын
қарастыру сынып оқушыларымен қосымша (факультатив) сабақта, пікірталас
сабақ ретінде өткізу тиімді деп санаймыз.
Сабақтың тақырыбы: “Ядролық энергетика” тақырыбын факультативті сабақ
ретінде өтудің әдістемесі.
Сабақтың түрі: Пікірталас.
Көрнекілік құралдар: Плакат, бейнетаспа
Сабақтың барысы: Ұйымдастыру кезеңі (1 мин)
Проблемалық – іскерлік – ойынының шарты: Атом энергиясын практикада
қолдану және атом энергиясының адамзатқа, қоршаған ортаға тигізетін
залалды әрекеттерімен танысу.
Тапсырма: Әр топтың осы атым энергиясын практикада қолданумен проблемалық
жағдайларға талдау жасау, шешімдерін ұсыну.
Ойынның барысы: Оқушылар 4 топқа бөлінеді.Олар мыналар:
1. “Физик – зерттеушілер” тобы.
2. “Экологтар” тобы.
3. “Медиктер” тобы.
4. “Биологтар” тобы.
Әр топ өз зерттеулерін шектеулі уақыт мөлшерінде айтып шығуы тиіс. Әр
топқа берілген уақыт мөлшері (6 мин).

1.“Физик – зерттеушілер” тобы.
Ең бірінші біз атомның қасіретін айтпас бұрын, атом сөзіне мағлұмат
беріп кетейік. “Атом – ол бөлінбейтін” деген мағынаны береді. Айналамыздағы
бізді қоршаған ортаның өзі атомнан тұрады. Атом өте кіп – кішкентай дүние
болғандықтан оны миллиметрменде өлшей аламыз. 1 см – ге 25 - тен 100 млн
атомға дейін сыйып кетеді.Атомның өзі ядродан тұрады. Ал, ядро протон мен
нейтроннан тұрады. Осы кішкентай атом ядросын ыдырату арқылы миллиондаған
киловатт қуат бөлінеді екен.Бұл қуаттың, яғни энергияның күштілігі сонда,
аққан сәуле, жүйіткіген жел, долы өзендердің күш – қуаты, жанған көмір
энергияларынан да асып түсетін қайнар көз.
Атом Ежелгі Греция елінде дүниеге келген. Грецияның астанасы Афинада
бұдан 2400 жыл бұрын атақты Сократтың ұстазы Анаксагор атты данышпан өмір
сүрген.Ол “Барлық заттар алғашқы бөлшектер – кішкене тұқымдардан тұрады.
Сүйек – кішкене сүйектерден, ағаш – кішкене ағаштардан, су – кішкене су
тамшыларынан, темір – кішкене темір бөлшектерінен тұрады” – деген еді.
Анаксагор осындай нәтижесі қысқаша трактат жазған болатын. Бұл сол
замандағы дәл, әрі батыл айтылған пікір еді. Анаксагордың шәкірттері
Левкипп, әсіресе Демокрит бұл ілімді әрі қарай жалғастырады. Ол ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.