Содержание

Стр.                            

Введение

     В курсах физики 9 – 10 классов изучалась преимущественно классическая физика. Современных проблем касались лишь тогда, когда речь шла о технических применениях физики (полупроводниковые приборы, сверхпроводимость и др.)

     Значительная  часть курса 11 класса посвящена современной  физике – физике 20 века. Здесь дается представление о теории относительности, квантовой теории, атомная физика, ядерной физике.

     Раздел  физики, в котором исследуется  строение и превращение атомных  ядер, называется ядерной физикой.

     Первоначальное  разделение на ядерную физику и физику элементарных частиц не было. С многообразием мира элементарных частиц физики столкнулись при изучении ядерных процессов. Выделение физики элементарных частиц в самостоятельную область исследования произошло в 1950 году. Теперь имеется два самостоятельных раздела физики: содержание одного из них составляет изучение атомных ядер, а содержание другого – изучение природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.  

Основные  цели  школьного  курса ядерной  физики.

1. Освоение теоретических знаний по курсу «Ядерная физика»
2. Овладение умениями применять полученные знания для объяснения природных процессов, принципа действия современных реакторов и приборов для регистрации элементарных частиц, для решения задач по данному курсу физике.
3. Развитие познавательных  интересов, интеллектуальных и творческих способностей, навыков самостоятельной работе с информацией, использование информационных технологий для моделирования физических процессов.
4. Воспитание убежденности в том, что все природные процессы, возможно, объяснить при помощи физики, математически смоделировать физические процессы, уважения к ученым, сделавшим ключевые открытия в данной области науки, патриотических чувств от открытий сделанных российскими учеными и лауреатами   Нобелевской премии.
5. Применять полученные знания для решения физических задач, для обеспечения безопасности жизни, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

    Гуманитарное  назначение физики состоит  в том, что она  вооружает школьника  научным методом познания, позволяющим получать объективные знания об окружающем мире. Знание основ ядерной физике интегрируется с химией, биологией, математикой, историей, астрономией. [9,11]

    Глава ядерная физика включает несколько  тем и краткие итоги этой главы:

1. Изучаются структура и превращения ядер. Для регистрации и изучения столкновений и взаимных превращений атомных ядер и элементарных частиц используют специальные устройства. К их числу относятся счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера, фотоэмульсии.
2. В конце прошлого века А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Такие химические элементы, как уран, торий и другие, самопроизвольно(без внешних воздействий) излучают α-, β-, и γ-лучи. Природа этих лучей различна: γ-лучи – это электромагнитные волны малой длины(10^-10 – 10^-13 м), β-лучи – это поток электронов, а α-лучи представляют собой поток ядер атома гелия.
3. Э.Резерфорд установил, что радиоактивный распад есть самопроизвольное превращение атомных ядер, сопровождающееся испусканием различных частиц. Согласно закону радиоактивного распада для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого его активность убывает в два раза.
4. Резерфорд впервые произвел искусственное превращение атомных ядер, бомбардируя их α-частицами, испускаемыми радиоактивными веществами. Д. Чедвик с помощью подобных опытов открыл новую элементарную частицу – нейтрон.
5. 1932 г. Д.Д.Иваненко (рус.), В.Гейзенберг (нем.) предложили протонно-нейтронную модель строения ядра: ядро состоит из протонов и нейтронов – нуклонов.

Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается А. Число протонов в ядре называется зарядовым числом и обозначается Z.

A = Z+N.

Ядра с одним  и тем же числом протонов Z, но с разным числом нейтронов N называются изотопами.

6. Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра мощными короткодействующими силами. Эти силы называются ядерными.
7. Важнейшим для всей ядерной физики является понятие энергии связи. Энергия связи равна той энергии, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны.
8. Изменение ядер при их взаимодействии друг с другом (или с элементарными частицами) называют ядерными реакциями. При ядерных реакциях происходит выделение или поглощение.
9. 1939 г. Отто Ган и Фриц Штрассман (нем.) открыли деление ядер урана. Ядра урана 235 бомбардируют нейтронами. Если нейтрон попадает в нестабильное ядро, то оно делится на два более стабильных ядра, которые разлетаются с огромной скоростью. При этом они испускают 2-3 нейтрона. Осколки ядра тормозятся и при этом передают свою энергию окружающей среде
10. Ядра урана, тория и других тяжелых элементов способны делиться под влиянием нейтронов. При этом выделяется в каждом акте деления энергия порядка 200 МэВ. При деление ядра испускается 2-3 нейтрона. Это позволяет осуществить управляемую цепную реакцию в ядерных реакторах. Неуправляемая реакция деления ядер используется в атомных бомбах.
11. При столкновениях легких ядер они могут сливаться с выделением энергии. Такие ядерные реакции могут проходить только при высоких температурах и поэтому называются термоядерными.
12. В нашей стране была построена первая в мире атомная электростанция. Развивается строительство мощных атомных электростанций.
13. Радиоактивные изотопы, получаемые с помощью ядерных реакторов и ускорителей элементарных частиц, находят применение в науке, медицине и промышленности.
14. Радиоактивные излучения представляют большую опасность для живых организмов. При работе с ними необходимо прибегать к специальным мерам защиты.[9,11]

     Возрастающее значение ядерной техники в общем энергетическом балансе выдвигает сегодня как одну из актуальных задач дальнейшее совершенствование ядерных реакторов. Прежде всего, это относится к тем реакторам, на основе которых планируется развитие ядерной энергетики в ближайшие 10-15 лет.

     Ядерный реактор (атомный реактор)  - это  устройство для осуществления  управляемой  ядерной цепной реакции.  Принцип  действия ядерного реактора основан на использовании энергии деления ядер тяжелых элементов и осуществляется через комплекс самоподдерживающихся ядерно-физических, химических и теплофизических процессов.[6] 

     Тема: «Физика ядерного реактора ВВЭР-1000 (для башкирской АЭС). Методика изучения в школьном курсе физики».

   Цель  исследования:

• разработать методические рекомендации, позволяющие развить физико-экологические понятия  у учащихся.
• обосновать целесообразность включения материала экологического содержания в курс школьной физики.

     Объект  исследования: учебно-воспитательный процесс в современной общеобразовательной школе.

     Предмет исследования: педагогические условия, способствующие экологическому образованию учащихся в процессе изучения физики.

     В соответствии с поставленной целью  была выдвинута следующая гипотеза: уровень сознательности учащихся повысится, произойдёт углубление и расширение физических знаний, сформируются убеждения и потребности в действиях, приводящих к улучшению экологической ситуации, если в процесс изучения физики учащиеся будут включаться в деятельность с привлечением материала экологического характера.

     В соответствии с целью и гипотезой  поставлены следующие задачи исследования:

1. изучить  состояние проблемы в педагогической  и методической литературе.

2. изучить  состояние экологического образования  в современной школе.

3. выявить отношение учащихся к экологическим проблемам.

     Для решения поставленных задач использовались методы исследования: изучение и анализ педагогической и методической литературы, наблюдение, анкетирование, тестирование.

     Выпускная квалификационная работа состоит из оглавления, введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.

      Во  введении обоснована актуальность исследования, определена тема, цель, объект, предмет, задачи и гипотеза исследования, методы исследования.

      В первой главе представлен опорный  материал о физике ядерного реактора, о строение ядерного реактора, о принципах ядерного реактора, которым может воспользоваться учитель физики при подготовке к урокам, факультативным занятиям.

      Вторая  глава – экспериментальная. Она посвящена изучению состояния экологического образования в современной школе. Для этого было изучены школьные учебники, а также расписаны конспекты уроков с изучением физики ядерного реактора. Во время педагогической практики нами было проведено анкетирование, тестирование учащихся.

Глава I. Физика ядерного реактора

     Устройство, предназначенное для организации  и поддержания цепной реакции  деления ядер с целью получения  энергии, называется ядерным энергетическим реактором.

     В основе работы ядерного реактора лежат  процессы взаимодействия нейтронов  с ядерным веществом, наиболее важными из которых являются: реакция деления ядер, реакция радиационного захвата (поглощения) и реакция рассеяния. 

      деление 

n  A    поглощение (захват)

                                  рассеяние 

     Ядерные реакции подчиняются законам  квантовой механики, поэтому можно говорить лишь о вероятности протекания той или иной из них, которые зависят от массового числа ядра А и от энергии нейтрона. При этом для данного ядра вероятность протекания процесса определяется тем,  какой области принадлежит энергия нейтрона E_n. В соответствии с этим принято делить область энергий на три части: область тепловых нейтронов, где E_n < 0,625 эВ; область промежуточных нейтронов или резонансная область, где 0,625 эВ < E_n < 0,1 МэВ; область быстрых нейтронов, где E_n > 0,1 МэВ. [7]

Реакция рассеяния

     Существует  два типа реакций рассеяния: упругое  взаимодействие, при котором суммарная  кинетическая энергия взаимодействующих  нейтрона и ядра не меняется после реакции, и неупругое взаимодействие, при котором часть кинетической энергии идет на возбуждение конечного ядра и затем испускается в виде g-кванта.  

 E_n                  A  E₁

                n          A     

        n  E₂ 

   Е_n        n

  n     A                         A⁺¹                                g  

                                                                                                     A

     Нужно отметить, что реакция неупругого рассеяния происходит лишь при определенных значениях энергии нейтрона (E₀ » 0,1 МэВ), в то время как энергия упругого рассеяния возможна всегда.

     Значение  роли реакции рассеяния в ядерной  энергетике трудно переоценить, поскольку именно на ней основаны системы замедления нейтронов в реакторе. [6,7]

  Реакция поглощения (захвата)

     Данная  реакция играет важную роль в физике реактора, поскольку она является конкурирующей по отношению к  реакции деления. В результате нейтрон выбывает из цепной реакции. Вероятность протекания процесса зависит от энергии нейтрона и от массового числа A. 

                g

 n     A       A*⁺¹   

                                                                  A⁺¹

     Следует заметить, что после захвата нейтрона ядра материалов элементов ядерных реакторов (например, металлические детали, находящиеся в активной зоне) активируются. То есть в них образуются новые изотопы, например, ядро железа, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп. Металлоконструкции после интенсивного облучения нейтронами представляют опасность для персонала.[6,7]

Реакция деления ядер

     Данная  реакция наиболее специфична для  ядерных реакций. Схематично эту  реакцию можно представить так:

                                      n          

               A^*₁            g_оск

n      A              A⁺¹           g_мгн          b

               u

   n  n                 A^*₂   g_оск 

                        n      b 

                                                            u

     Под действием нейтрона ядро тяжелого элемента делится на две части (осколка), отношение масс которых обычно (для часто используемых элементов) близко к 2:3. Нуклиды, которые делятся нейтронами, относятся к разряду тяжелых нуклидов. Некоторые из них (U²³⁵, Pu²³⁹, Pu²⁴¹) делятся тепловыми нейтронами. Другие нуклиды делятся только быстрыми нейтронами.

     Энергетический  выход реакции деления, например, ядер U²³⁵, Pu²³⁹ составляет E_выдел » 200 МэВ »3,2*10^-11Дж. [6,7]

Образование нейтронов

     Как видно из приведенной схемы, при  реакции деления, кроме новых  ядер-осколков, могут появляться g-кванты, b-частицы распада, нейтроны деления и нейтрино. С точки зрения цепной ядерной реакции, наиболее важным является образование нейтронов. Среднее число появившихся непосредственно в результате реакции деления нейтронов (мгновенные нейтроны) обозначают n. Эта величина зависит от массового числа делящегося ядра А и энергии взаимодействующего с ним нейтрона Е_n. В отдельных актах деления энергия рождающихся нейтронов может принимать значения от 100 эВ до 15 МэВ. Для U²³⁵ среднее значение энергии вылетевших нейтронов деления около 2 МэВ.

     В процессе ядерной реакции могут появляться ядра, которые испускают запаздывающие нейтроны и тем самым способствующие поддержанию цепной реакции.

       В основе цепного процесса всегда лежит экзоэнергетическая реакция, обладающая тем свойством, что возбуждается частицей и порождает вторичные частицы. Если в каждом акте реакции появляется  только одна частица носитель, то цепная реакция называется   неразветвленной. Неразветвленная цепная реакция не может стать самоподдерживающейся. Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях  цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна их вторичных частиц продолжает начатую цепь, а  другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, которые приводят к обрывам цепей. Если число образующихся новых цепей  превосходит число обрывов, цепная реакция  быстро распространяется по всему объему вещества при появлении, хотя бы одной начальной частицы. Состояние, при котором  число новых  цепей равно числу обрывов называется  критическим.[7]

       Деление тяжелого ядра возбуждается  одним нейтроном, а в  результате  деления появляется более одного нейтрона.  Следовательно, реакция  деления может породить самоподдерживающуюся цепную реакцию, носителями которой  будут служить нейтроны.

Те нейтроны, которые образуются в результате распада осколков деления, называются запаздывающими нейтронами. Характеристики запаздывающих нейтронов зависят от природы осколков. [6,7]

     Цепная  реакция деления ядер урана не осуществляется в природном уране, поскольку природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238 и только на 0,7%из изотопа урана-235. Способность к делению под действием нейтронов, испущенных в процессе деления, обнаруживается только у ядер урана-235. Изотопный состав имеющегося в природе урана приведен в таблице 1.

                                                      Таблица 1

     Из  таблицы видно, что  природный  уран почти одноизотопный  элемент. Из-за малой концентрации   ²³⁵ U  получение цепной реакции непосредственно в металлическом природном уране невозможно. Вместе с тем цепная реакция может быть получена в смесях природного  или слабообогащенного урана с веществами замедлителями нейтронов. При достаточно большом количестве атомов-замедлителей в смеси нейтроны  скорее замедляются до тепловой энергии, чем поглощаются в  ²³⁸ U.  В этом случае  даже при малой концентрации  ²³⁵ U  в смесях с тяжелой водой, бериллием и графитом может быть достигнуто критическое состояние при использовании природного урана. [5]

     Цепная  реакция может развиваться в  том случае, если количество урана  больше некоторого минимального значения-критической  массы.

     Достижение  критического  состояния  представляет наибольший интерес с точки зрения получения контролируемого источника энергии.  В критическом состоянии число  нейтронов не меняется во времени. Следовательно, число актов деления  в единицу времени, а значит, и энерговыделение постоянны.  Абсолютное значение энерговыделения при этом может быть получено  любым с помощью системы управления цепной реакцией.  Введение в размножающую  среду дополнительного количества  делящегося   материала  приводит к избыточному размножению цепей  реакций, т.е.  сопровождается повышением   k.  Напротив,  введение поглотителя  нейтронов увеличивает число обрывов цепей  и снижает  k. Кроме того возможно применение веществ-отражателей  нейтронов, перемещение которых вблизи размножающей среды  уменьшает или увеличивает потери нейтронов  из-за утечки, что также изменяет число обрывов цепей.  Манипуляции указанными элементами  управления позволяют начинать  цепную реакцию, достигать любого уровня мощности, поддерживать стационарный режим в критическом состоянии  и прекращать цепной процесс. Установка с контролируемой цепной реакцией  деления  и представляет собой ядерный реактор.

     Условно можно выделить две концепции  построения ядерных реактора - концепцию  реактора как теплотехнического  аппарата и концепцию реактора как физико-химического аппарата. [1]

     В концепцию реактора как теплотехнического  аппарата положены два принципа:

• освободить ядерный реактор от всех технологических процессов регенерации ядерного горючего  и оставить ему единственную функцию генератора тепловой энергии;
• максимально локализовать в реакторе область, занятую делящимися материалами и продуктами деления.

     Такой подход к строительству реакторов  дал возможность на первом этапе развития ядерной энергетики наиболее быстро создать атомные энергоустановки, поскольку в них удалось свести к минимуму количество принципиально новых элементов конструкции, а вопросы регенерации горючего  по существу были отложены до лучших времен. Эта концепция воплощена во всех современных реакторах. Эта же концепция лежит в основе разрабатываемых жидкометаллических реакторах на быстрых нейтронах, газоохлаждаемых высокотемпературных реакторах и др. [11]

     Недостатком теплотехнической концепции является неполное использование тех потенциальных возможностей, которые заложены в самом феномене деления ядер тяжелых металлов.

     Альтернативой является концепция реактора как физико-химического аппарата. В реакторах этого типа осуществляется непрерывное управление ядерно-физическими, химическими и теплотехническими процессами, протекающими в топливе, а также непрерывная корректировка физико-химических свойств ядерного топлива.  Решение этой задачи в принципе позволяет максимально использовать возможности, заложенные в физической природе деления ядер. Отличительной особенностью реакторов физико-химической концепции является объединение с той или иной степенью полноты в одном аппарате собственно ядерного реактора и системы регенерации горючего. К реакторам этого типа относятся газофазные реакторы, гомогенные реакторы на водных растворах или суспензиях урана, реакторы с жидкометаллическим топливом и жидкосолевые реакторы. [1]

     Ядерная энергетика на первом этапе развития  должна базироваться  на реакторах теплофизической концепции и в первую очередь на простейшем из них - легководном, так как перед реакторами теплофизической концепции ставиться только одна задача - преобразование  энергии деления ядер в  тепловую, и поэтому создание таких реакторов  связано с освоением сравнительно меньшего числа принципиально новых элементов конструкции. Кроме того на первом этапе развития ядреной   энергетики проблема  исчерпания ресурсов ядерного топлива еще остро не стоит. Поэтому оказалось экономически целесообразным  строить ядерные реакторы с неоптимальным использованием нейтронов деления. На  этом этапе  даже полный отказ от переработки и регенерации топлива  не лимитирует развитие ядерной энергетики.

     Однако  такая ситуация не может продолжаться неограниченно долго. Оценка промышленных запасов урана и сопоставление  их  с предполагаемыми  темпами развития ядерной энергетики приводят к выводу, что  через 20-30 лет ресурсы дешевого урана будут близки к исчерпанию. Поэтому проблема переработки ядерного топлива к этому времени должна быть решена. Решение этой проблемы на основе регенерации твердотопливных урановых стержней связано с рядом новых дополнительных трудностей. Одна из них транспортирование  облученных элементов на радиотехнические предприятия. [11]

     Ядерный реактор является частью атомной электростанции 

1.1. Строение ядерного реактора

1. Активная зона. В ней находятся:

• ядерное топливо – обогащенный уран-235;
• замедлитель нейтронов (вода).

2. Для  управления реакцией служат  регулирующие стержни.

3. Теплообменник.

4. Активная  зона окружена отражателем из бериллия и защитной оболочкой из бетона. [10]

1. Основные  элементы реактора

1.1.2. Конструктивные особенности построения ядерных реакторов

     Ядерные реакторы состоят их пяти основных элементов: делящегося вещества, замедлителя  быстрых нейтронов, системы охлаждения, систем безопасности и регулирования. Та часть реактора, которая содержит делящийся материал и, собственно в  которой протекает  цепная самоподдерживающаяся реакция деления, называется активной   зоной реактора. [1]