Развитие атомной энергетики

Проектная работа

На тему: «Развитие атомной энергетики»

Выполнила: ученица 8-А класса

СОШ№1 г.Нововоронежа

Карпенко Анастасия

г.Нововоронеж

План

1. Открытие естественной и искусственной радиоактивности.

2.Строение атома. Опыт Резерфорда.

3.Строение ядра атома.

4.Деление ядер урана. Ядерный реактор.

5.Термоядерная реакция.

6.Ускорители элементарных частиц

1. Открытие естественной и искусственной радиоактивности.

«Хорошая наука – физика! Только жизнь коротка». Эти слова принадлежат ученому, сделавшему в физике удивительно много. Их однажды произнес академик Игорь Васильевич Курчатов, создатель первой в мире атомной электростанции.

27 июня 1954 года эта уникальная электростанция вступила в строй. У человечества появился еще один могучий источник электроэнергии.

Путь к овладению энергией атома был долгим и нелегким. Начался он в первые десятилетия ХХ века с открытия естественной радиоактивности супругами Кюри, с постулатов Бора, планетарной модели атома Резерфорда и доказательства такого, как сейчас кажется, очевидного факта - ядро любого атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов.

Явление радиоактивности обнаружил Беккерель в 1896году. Он установил, что урановые соли вызывают почернение фотографических пластинок. Радиоактивность- это самопроизвольное испускание излучения каким-либо элементом, обусловленное распадом атомных ядер. В 1898 г. Мария-Склодовская Кюри исследовала радиоактивность солей урана и сумела выделить из урановой руды два новых радиоактивных элемента: полоний и радий. Радиоактивность радия оказалась приблизительно в миллион раз больше чем урана. Склодовская- Кюри предположила, что радиоактивность радия обусловлена распадом его атомов. Она обнаружила излучение двух типов, названное альфа и бета - излучением. В 1900г. Пьер Кюри открыл излучение третьего типа, получившее название гамма- излучения.

Альберт Эйнштейн сравнил открытие радиоактивности с открытием огня, т.к. считал, что и огонь, и радиоактивность - одинаково крупные вехи в истории человечества.

2. Строение атома. Опыт Резерфорда.

Ядерная модель атома явилась результатом опытов Резерфорда. В 1912 году Э.Резерфорд и его сотрудники поставили опыт по рассеянию альфа-частиц в веществе. Альфа-частицы излучались радиоактивным источником, помещенным внутри свинцовой полости. Все альфа-частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок альфа-частиц попадал на фольгу из золота перпендикулярно к ее поверхности; альфа-частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею, вызывали вспышки (сцинтилляции) на экране, покрытым веществом, способным светиться при попадании частиц. В пространстве между фольгой         и экраном обеспечивается достаточно высокий вакуум, чтобы не происходило рассеивание альфа-частиц в воздухе. Конструкция прибора позволила наблюдать альфа-частицы, рассеянные под углом до 150 градусов.

Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре, а отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра. Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона, в которой положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него.

Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро- Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны- планеты).

В1919г. эксперименты Э. Резерфорда по облучению альфа-частицами легких газов привели к расщеплению атомных ядер. Процесс сопровождался вылетом атомов водорода (протонов, как позднее назвал их Резерфорд). Тогда ученый приходит к выводу, что протоны являются структурной частью всех более тяжелых ядер.

В 1932г. английский ученый Дж. Чедвик открывает нейтрон, существование которого было предсказано Резерфордом еще в 1921 г. Масса нейтрона оказалась очень близкой к массе протона. И в этом открытии важную роль сыграли альфа- частицы: нейтроны возникали при бомбардировке ими бериллиевой мишени.

3. Строение ядра атома.

После открытия нейтронов сразу и почти одновременно физики из разных стран предложили модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Такая модель позволяла хорошо объяснить наблюдаемые соотношения между массами и зарядами ядер. Например, ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, имеют заряд в два раза превышающий заряд протона, и массу в 4раза большую его массы. Для углерода это соотношение 6 и 12 и т.д. Внутри ядра протоны и нейтроны (их часто называют одним именем – нуклоны)  удерживаются особым видом сил - ядерными силами. От более привычных нам - электромагнитных сил они отличаются, во-первых, тем, что одинаково действуют на заряженный протон и не имеющий заряда - нейтрон.

Во-вторых, ядерные силы проявляются только тогда, когда нуклоны находятся на очень малых расстояниях (м) друг от друга. На таких расстояниях величина их огромна и они сжимают ядерное вещество до плотности сотни миллионов тонн в 1 . В природе пока известны только одни макроскопические объекты, в которых вещество сжато до ядерных плотностей, - это нейтронные звезды. В ядре атома сосредоточена огромная энергия. Существует два различных способа освобождения ядерной энергии. Эти способы принципиально различны: деление тяжелых ядер и синтез легких. В 1939г. в исследованиях Ферми, Жолио - Кюри, Гана и др. была открыта реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами.

4. Деление ядер урана. Ядерный реактор.

Механизм реакции деления следующий: при попадании нейтрона в ядро урана нейтрон захватывается ядром, и оно переходит в возбужденное состояние. Это состояние неустойчиво и ядро распадается на два- три приблизительно равных по массе осколка (ядра-фрагменты). Осколки имеют большую кинетическую энергию. Кроме ядер- фрагментов высвобождаются нейтроны. Они попадают в новые ядра урана и т. д. Схема цепной реакции деления ядер урана показана на рисунке.

Для осуществления цепной реакции необходимо достаточно большое количество урана 235, т.к. в небольшом образце нейтроны могут пролететь, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, при которой возможна цепная реакция называется критической. Для урана 235 критическая масса примерно 10кг, она заключена в шарике радиусом 15см.

Эксперимент

Возьмем обойму бумажных спичек и подожжём крайнюю из них. Вдоль обоймы пойдет стационарная цепная реакция. Возьмем теперь большой коробок спичек или сложить вместе несколько обойм бумажных спичек и подожжём одну из них. Получится развивающаяся цепная реакция, в которой воспламенение быстро нарастает, т.к. один кусок воспламеняющегося вещества будет поджигать несколько соседних, а каждый из них - несколько других. Неуправляемая ядерная реакция деления осуществляется в ядерном взрыве при быстром соединении двух урановых блоков с массой каждого немного меньше критической. Управляемая реакция деления урана протекает в специальных устройствах - ядерных реакторах. Это как раз стационарно протекающая цепная реакция.

Ядерный реактор состоит из блоков, изготовленных из урана- топливных блоков(1); блоков, заполненных специальным веществом- замедлителем нейтронов до скоростей, при которых они эффективно поглощаются ураном (обычно это вещество- графит или вода) (2); регулирующих блоков (стержней)(5). Роль регулирующих стержней очень велика. Они изготовлены из материала, очень сильно поглощающего нейтроны - кадмия или бора. При введении стержней в активную зону нейтроны поглощаются, и реакция деления подавляется, при выведении - реакция идет интенсивнее.

Быстрое развитие цепной реакции сопровождается выделением большого количества тепла. Реактор приходится интенсивно охлаждать, почему же тепло не отдать паровой или газовой турбине, не применить для обогрева домов?

Теплоносителем в реакторе служит вода, жидкий натрий и другие вещества. Они отбирают в активной зоне тепло и переносят его в специальные теплообменники, попутно охлаждая реактор. В теплообменнике нагревается вода, образующийся в результате этого пар передается на лопасти турбины, которая через специальную систему приводит в действие генераторы, непосредственно вырабатывающие электричество. Реактор окружили защитной оболочкой из бетона с металлическим наполнителем: радиоактивное излучение не должно вырываться наружу. Атомный реактор превратился в атомную электростанцию, несущую людям спокойный свет, уютное тепло. Атомные электростанции, в настоящее время, являются одним из основных поставщиков электроэнергии для промышленности и бытового потребления. В настоящее время ведутся работы по проектированию и созданию термоядерных электростанций, основным преимуществом которых является возможность работать неопределенно долгое время.

5. Термоядерная реакция.

Ядерная энергия может освобождаться и в реакциях соединения легких атомных ядер. Наиболее энергетически эффективным является синтез ядер гелия из ядер изотопов водорода. При синтезе 1г гелия выделяется энергия 4.2Дж. Для слияния одноименно заряженных протонов в ядро необходимо преодолеть силы электрического отталкивания. Это возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц и высоких давлениях. Такие условия имеются в недрах звезд. В земных условиях термоядерная реакция осуществляется в термоядерных взрывах. Управляемые термоядерные реакции предполагается осуществить в разогретой плазме, удерживаемой магнитным полем. На экспериментальной установке «ТОКАМАК» ученые нашей страны исследуют возможность осуществления управляемой термоядерной реакции.

В последнее время рядом ученых получены данные о возможном механизме холодной термоядерной реакции, ведутся исследования. Термоядерные электростанции могли бы быть более безопасными и экологически чистыми, т.к. реакция термоядерного синтеза не приводит к образованию радиоактивных продуктов, а топливом для нее может служить обыкновенная вода, из которой получают тяжелый изотоп водорода - дейтерий.

6. Ускорители элементарных частиц

Новая ветвь ядерных исследований получила название физики элементарных частиц. Сейчас это самая сложная и волнующая область физики, где ученые встречаются с новыми, странными и удивительно красивыми явлениями. Как трудно, например, привыкнуть к процессам, происходящим при столкновении одних элементарных частиц, таких как электрон, протон, нейтрон, с другими частицами или ядрами: они не раскалываются на части, не разрушаются, а превращаются друг в друга.

Какую сенсацию вызвало среди физиков открытие у электрона двойника- позитрона! Во всем позитрон подобен электрону, кроме заряда - он у позитрона положительный. Прошло пятнадцать- двадцать лет после теоретического предсказания, а затем и экспериментального обнаружения позитрона, и двойники, получившие название античастиц, нашлись у всех без исключения элементарных частиц. Все эти поразительные открытия были сделаны благодаря тому, что физики научились сообщать элементарным частицам большие энергии и скорости, нашли способ сильно разгонять своих «питомцев» прежде чем произойдет их роковая, быстротечная встреча с другими частицами.

В настоящее время облучение различных химических веществ ведут, как правило, не альфа- частицами, испускаемыми радием в процессе естественного радиоактивного распада, а в миллионы раз более энергичными заряженными частицами, разгоняемыми с помощью огромных ускорителей. Мощный ускоритель электронов построен в Ереване, гигантский ускоритель протонов размером с футбольный стадион - недалеко от города Серпухова и др. В кольцевом тоннеле из стали создается почти космический вакуум, внутри летит пучок частиц, а от тоннеля отходят прямые боковые рукава- отростки, куда исследователи время от времени «выводят» часть пучка. Здесь находятся измерительные приборы, облучаемые вещества, скоростные фотокамеры. Удивительное чувство испытываешь, находясь около большого ускорителя. Особенно, если на нем идут монтажные работы и можно войти также просто, как в вагон метро, в один из боковых отростков кольца. Чувство ожидания открытий…

Огромные ускорители помогли открыть явление аннигиляции, взаимного уничтожения двух элементарных частиц- близнецов. Электрон и позитрон исчезают, оставляя нам вместо себя гамма- излучение. Теоретические прогнозы показывают, что процесс аннигиляции частиц, столкновение вещества с антивеществом, может привести к освобождению грандиозного количества энергии, превосходящего во много раз энергию атомного взрыва и термоядерного синтеза.

Гипотеза

Не будет ли когда – ни будь энергоснабжение всего земного шара осуществляться с помощью нескольких ускорителей?

Обоснование:

Большой андронный коллайдер (БАК) – это последний, самый мощный в мире ускоритель частиц, построенный под землей на границе Франции и Швейцарии, недалеко от Женевы, управляемый Европейским центром ядерных исследований. Это самое дорогостоящее экспериментальное устройство на планете, стоимостью более 10млрд. долларов.

Предназначен для ускорения протонов и тяжелых ионов почти до скорости света в противоположных направлениях и затем сталкивая их во встречных пучках с энергией в миллионы раз больше чем получают частицы при взрывах водородных бомб с частотой столкновений частиц в коллайдере сотнями миллиардов раз в секунду. Большой андронный коллайдер может создавать суперэнергию и сверх температуры. В таких условиях может возникнуть анигилляция электронов с позитронами, с исчезновением частиц (электронов, позитронов, протонов). При этом происходит 100% выход энергии, что будет в 142,9 раза больше чем в реакции термоядерного синтеза атома гелия.

Мониторинг

В настоящее время существование человечества немыслимо без получения и использования большого количества энергии (например, электроэнергии и тепла).

Вопрос№1

Какие источники энергии на Земле вы знаете?

Ответ:

Восполняемые источники энергии: вода, ветер, Солнце, тепло недр Земли, водород в составе морской воды.

Не восполняемые источники энергии: уголь, торф, газ, нефть, ядерное горючее.

Вопрос№2

В ближайшее время человечеству грозит проблема энергетического голода из-за нехватки топливных ресурсов.

Сегодня огромную роль в получении энергии играет ядерная энергетика

В зависимости от способа получения ядерной энергии существует два направления ядерной энергетики:

Какие это направления?

Ответ:

1.Ядерная энергетика деления:

-в ядерных реакторах используется деление ядер урана и ядерная цепная реакция.

Ядерная энергетика деления используется на современных атомных электростанциях (АЭС).

2.Ядерная энергетика синтеза

- в реакторах термоядерного синтеза используется (пока только в экспериментальных ТОКАМАК) используется термоядерная реакция

Вопрос№3

Каковы преимущества АЭС и в чем проблемы их использования, каковы пути решения этих проблем?

Ответ:

Преимущества АЭС:

-малое количество топлива

-экологическая чистота при правильной эксплуатации.

Проблемы ядерной энергетики:

-содействие распространению ядерного оружия

-радиоактивные отходы

-возможность ядерных аварий

Пути решения этих проблем:

-контроль за нераспространением ядерного оружия

-обезвреживание радиоактивных отходов (совершенствование технологий)

-выработка стандартов безопасности

Вопрос№4

При сравнении реакции деления и синтеза ядер было установлено, что термоядерная реакция энергетически более выгодна.

Каково будущее ядерной энергетики?

Ответ:

Это термоядерный синтез - чистый и практически неисчерпаемый источник энергии из обыкновенной морской воды.

Вопрс№5

Что вы знаете об ускорителях элементарных частиц?

Ответ:

Это устройства для получения заряженных частиц с весьма большой кинетической энергией.

Вопрос№6

Большой андронный коллайдер придумали и создали очень смелые, не боящиеся никакого риска люди. Экспериментаторы с гордостью сообщали на одной из конференций, что ими впервые в истории науки проводится эксперимент, результаты которого непредсказуемы в принципе.

Что может последовать за этим?

Ответ:

Большой андронный  коллайдер может  создавать суперэнергию и сверхтемпературу. В таких условиях может возникнуть аннигиляция электронов с позитронами, с исчезновением частиц (электронов, позитронов, протонов). При этом происходит 100% выход энергии, что будет в 142,9 раза больше чем в реакции термоядерного синтеза атома гелия.

Это микропроцесс, но его энергии в какой-то ситуации может оказаться достаточно, чтобы инициировать в коллайдере неизвестное на Земле явление: цепную реакцию распада протонно - электронных пар, в сотни раз более мощную чем реакция ядерного взрыва, разрушающую полностью любое вещество с выделением энергии. Все вещество Земли способно проявить себя такой взрывчаткой. Это значит, что любой эксперимент в коллайдере с подъемом уровней энергии, интенсивности столкновений, температуры или других параметров столкновений частиц всякий раз может оказаться последним для Планеты. Земля может мгновенно исчезнуть в результате техногенной катастрофы мощным взрывом как один массив большой протонно - электронной бомбы, блеснув на мгновение в Космосе сотрясением всей Солнечной системы, оставив на своей орбите лишь астероидный пояс.

Вывод:

Ученые всегда рисковали, находясь на переднем крае науки. Например, при создании водородной бомбы, никто не знал каким будет результат.

Перспективы получения огромной управляемой энергии в результате процессов, происходящих в ускорителях весьма заманчивы и скорее всего, несмотря на риски, ученые не будут отказываться от исследований.