fisiunea nuclearĂ. reactorul nuclear · se prezintă elevilor aplicațiile reactoarelor nucleare...

22
FISIUNEA NUCLEARĂ. REACTORUL NUCLEAR Profesor: CARP LILIANA Liceul Teoretic „Lascăr Rosetti” Răducăneni, Iași

Upload: others

Post on 20-Oct-2019

23 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

FISIUNEA NUCLEARĂ. REACTORUL

NUCLEAR

Profesor: CARP LILIANA

Liceul Teoretic „Lascăr Rosetti”

Răducăneni, Iași

P R O I E C T D I D A C T I C

DISCIPLINA : Fizică

CLASA: a XII-a

Unitatea de învățare: Fizica nucleară

Titlul lecţiei:: FISIUNEA NUCLEARĂ. REACTORUL NUCLEAR

Tipul lecţiei: predare - învăţare-evaluare/ formare de priceperi si deprinderi

Competente cadru:

1. Înţelegerea şi explicarea unor fenomene fizice;

2. Investigaţia ştiinţifică experimentală(virtuala) şi teoretică aplicată în fizică;

3.Comunicarea-folosirea terminologiei specifice fizicii, elemente de matematică aplicată în fizica.

Competențe specifice

Modelarea fisiunii nucleare și a reacției în lanț (calitativ și cantitativ pentru energia totală

eliberată);

Descrierea construcției și funcționării reactorului nuclear și a armei nucleare de fisiune (aspecte

generale);

Estimarea posibilelor efecte ale accidentelor nucleare, respectiv ale utilizării armamentului

nuclear de fisiune;

Aprecierea critică a impactului utilizării tehnologiilor nucleare asupra societății și naturii.

Obiective operaţionale:

să definească reacția de fisiune nucleară;

să diferențieze printr-un element reacția de fisiune de reacția de fisiune în lanț;

să precizeze condițiile necesare autoîntreținerii reacției de fisiune într-un reactor nuclear;

să enumere 5 componente ale unui reactor nuclear pe baza materialelor puse la dispoziție;

să argumenteze rolul a două componente în funcționarea reactorului;

să exprime în minim 3 imagini consecințele unui accident nuclear;

să descrie managementul deşeurilor nucleare;

să justifice prin minim două argumente necesitatea utilizării energiei nucleare;

să identifice două motive pentru care energia nucleară este considerată poluantă.

Metode şi procedee: observația, descrierea, conversaţia euristică, explicaţia, activitatea individuală,

simularea pe calculator, exerciţiul, rezolvarea de probleme, dialogul, brainstormingul,vizionarea

prezentare ppt.

Resurse :

1. materiale: rețea de calculatoare ,prezentare ppt, soft educațional;

2. umane: clasă omogenă, de nivel mediu, cu anumite cunoştinţe ce necesită consolidare;

3. de timp 2 h.

Aptitudini şi capacităţi obligatorii elevilor:

• abilităţi de utilizare a calculatorului;

• navigare pe internet;

• operare Word, Excel, PowerPoint.

S c e n a r i u d i d a c t i c

I.Moment organizatoric

verificarea prezenţei elevilor

aranjarea elevilor în laborator

conectarea elevilor la calculatoare

II. Verificarea cunoştinţelor anterioare

Frontal se vor verifica cunoştinţele referitoare la evidențierea stabilității diferitelor nuclee în funcție

de structura acestora și energia de legătură pe nucleon.

II.1.Anunţarea temei noi

Se proiectează pe ecranul calculatoarelor întrebarea esenţială: Cum influenţează ştiinţa mediul

şi viaţa?

II.2.Asalt de idei. Se notează răspunsurile pe tablă. Elevii notează pe caiet formând un ciorchine.

Se anunță apoi temele ce vor fi studiate :

1. Fisiunea nucleară

2. Reactorul nuclear

și obiectivele urmărite pe parcursul lecției.

II.3.Prezentarea noului conţinut – conducerea învăţării

1.Provocarea: se solicită elevilor să observe cu atenţie distribuţia procentuală a de surselor de

energie electrică din anul 2013 la nivel mondial și la nivelul țării noastre , să analizeze cu atenţie

comparaţia prezentată și să stabilească care sunt sursele de energie electrică cele mai utilizate la nivel

mondial și național.

Carbuni42%

Hidroenergie7%

Energie nucleară

21%

Gaz29%

Petrol 1%

Altele gaze0%

Resurse energetice mondiale

Elevii constată că, în 2013, cele mai utilizate resurse pentru producerea energiei electrice atât la

nivel mondial,cât și la nivelul țării noastre sunt:

La nivel mondial La nivel național

Cărbuni – 42 % Cărbuni – 27 %

Gaz – 29 % Hidroenergie – 27 %

Energie nucleară – 21 % Energie nucleară – 20 %

Se constată că locul trei este ocupat de energia nucleară.

2.Se analizează graficul energiei de legătură pe nucleon funcție de numărul de nucleoni. Elevii

trebuie să constate că nucleele cu număr mare de nucleoni, localizate la sfârşitul tabelului periodic au

energia de legătură pe nucleon mai mică decât cele din centrul său.

De aici rezultă că nucleele ,,grele” au tendința de a se rupe în fragmente „medii” pentru a-și mări

valoarea energiei de legătură pe nucleon. De exemplu, un nucleu de U235

92 care are energia de legătură

pe nucleon egală cu 7,6 MeV se poate descompune , sub acțiunea unui neutron lent, într-un nucleu

de Ba144

56 cu energia de legătură pe nucleon egală cu 8,3 MeV și un nucleu de Kr89

36 cu energia de

legătură pe nucleon egală cu 8,8 MeV.

3.Se definește fisiunea nucleară: Fisiunea nucleara este procesul în care nucleul unui atom se

scindează în două sau mai multe nuclee mai mici, numite produși de fisiune și, în mod uzual, un

număr oarecare de particule individuale.

Se face precizarea: particulele elementare pot fi neutroni, fotoni (uzual sub formă de raze gamma)

și alte fragmente nucleare cum ar fi particulele beta și particulele alfa.

Clasificare:

Fisiunea nucleară poate fi:

naturală (care este un proces spontan)

stimulată (declanşată prin bombardarea cu neutroni a unui nucleu stabil şi greu).

Scurt istoric:

Lise Meitner (1878 – 1968) a demonstrat că atomii grei pot fi scindați în atomi mai ușori – proces

pe care ea l-a numit ,,fisiune nucleară”

O.Hann, F. Strassmann au lucrat alături de Liese Meitner şi au descoperit fisiunea stimulată a

nucleelor de uraniu sub acţiunea bombardamentului cu neutroni primind premiul Nobel pentru chimie în

anul 1944.

4.Se solicită elevilor să observe cu atenţie reacţia de fisiune nucleară folosind programul de

simulare Phet,

U235

92

EB = 7,6 MeV

Kr89

36

EB = 8,3MeV

Ba144

56

EB = 8,8 MeV

apoi se discută asupra variației energiei potențiale și a energiei totale a nucleului inițial și a produșilor de

fisiune funcție de distanța dintre nuclee.

Se face precizarea:În mod natural uraniul U-235 are nevoie de miliarde de ani pentru a se

descompune, astfel că este de dorit ca acest proces să fie cumva accelerat. Acest lucru se realizează

prin bombardarea uraniului cu neutroni la viteze mici. Uraniul U-235 absoarbe neutronii şi se transformă

în uraniu U-236. Apoi se descompune în kripton-89, bariu-144 şi 3 neutroni liberi.

4.Se fac calcule asupra energiei degajate în timpul unei reacții de fisiune:

Potrivit graficului care indică energiile de legătură pe nucleon, un nucleu de U235

92 are energia de

legătură egală cu 7,6 MeV pentru fiecare nucleon, de unde rezultă un total de 235 x 7,6 MeV = 1786

MeV, nucleul de Ba144

56 are = 144 x 8,3 MeV = 1195 MeV, iar Kr89

36 are 89 x 8,8 MeV = 783 MeV.

Neutronii suplimentari nu au asociată o energie de legătură. Astfel că, de fiecare dată când un nucleu

de uraniu fisionează se câștigă în jur de 192 MeV de energie!

Ba144

56

Kr89

36

Astfel, fisiunea nucleară este o reacție exotermică și poate să elibereze cantități mari de energie

sub formă de radiații gamma și energie cinetică a fragmentelor (încălzind volumul de material în care se

produce fisiunea).

Datorită energiei rezultate din reacție considerabile, reacția de fisiune stimulată prezintă o mare

importanță energetică. Fisiunea nucleară este folosită pentru a produce energie în centralele nucleare și

pentru producerea armelor nucleare.

Fisiunea este utilă ca sursă de energie deoarece unele materiale, numite combustibil nuclear , pe

de o parte generează neutroni care sunt inițiatorii unui proces de fisiune și, pe de altă parte , li se inițiază

fisiunea la impactul cu acești neutroni liberi. Combustibilii nucleari pot fi utilizați în reacțiile nucleare în

lanț, autoîntreținute, care eliberează energie în cantități controlate într-un reactor nuclear sau

necontrolate, foarte rapid, într-o armă nucleară.

5.Condiția care se impune este ca un proces de fisiune să se autoîntrețină; e poate fi îndeplinită

dacă se utilizează neutronii rezultați din procesul de fisiune ca inițiatorii unui nou proces de fisiune. O

astfel de reacție se numește reacție în lanț.

Elevilor li se recomandă să observe cu atenţie reacţia de fisiune nucleară în lanţ atât pe platforma

AeL (modulul M2 „Îmbogăţirea uraniului”) cât și în programul de simulare Phet .

O reacție nucleară în lanț apare atunci când cel puțin o reacție nucleară este cauzată de o reacție

nucleară anterioară, lucru care poate duce la creșterea exponențială a numărului de reacții.

Fazele unei reacții de fisiune în lanț sunt:

Un atom de U235

92 absoarbe un neutron și se sparge în doi atomi noi (fragmente de fisiune),

eliberând trei neutroni și o cantitate de energie;

Unul din neutroni este absorbit de un atom de U238

92 , al doilea se pierde în mediul înconjurător, iar

al treilea inițiază o nouă reacție de fisiune în urma căreia rezultă doi neutroni și o cantitate de

energie;

Acești neutroni ciocnesc fiecare câte un atom de U235

92 , se produc două reacții de fisiune în urma

cărora rezultă de la unu la trei neutroni ca vor continua reacția.

Se va verifica, urmărind simularea de pe platforma AeL (modulul M2 „Îmbogăţirea uraniului”),

care tip de neutroni (lenți (termici), rapizi sau de viteză medie) au cea mai mare probabilitate de

producere a unei reacții de fisiune.

Elevii constată că neutronii lenți au cea mai mare probabilitate de a fi absorbiți de către nuclee

fisionabile.

Se discută cu elevii condițiile care trebuie îndeplinite pentru a se produce o reacție în lanț:

Încetinirea neutronilor care rezultă din reacția de fisiune. Pentru aceasta se utilizează un

mediu numit moderator format din nuclee ușoare care preiau prin ciocniri o mare parte din

energia cinetică a neutronilor. Drept moderator se poate folosi: apa, apa grea, grafitul sau

beriliul.

Neutronii să nu se piardă prin alte procese care nu conduc la fisiune. De aceea trebuie

ca masa de combustibil să fie suficient de mare. Cantitatea de material fisionabil la care reacția

se întreține se numește masă critică.

Se analizează cu elevii condițiile de producere a reacției în lanț funcție da factorul de multiplicare

k, utilizând schema din prezentarea ppt.

6. Desfăşurarea controlată a unei reacţii de fisiune are loc într-un reactor nuclear. Enrico Fermi și

Leo Szilard, ambii de la University of Chicago, au fost primii care au construit o pilă nucleară și au

prezentat o reacție în lanț controlată, pe 2 Decembrie 1942, , în cadrul Proiectului Manhattan.

Se dă definiția:

Un reactor nuclear este o instalație tehnologică în care are loc o reacție de fisiune nucleară în lanț

în condiții controlate, astfel încât să poată fi valorificată căldura generată sau utilizate fascicolele

de neutroni.

Se prezintă elevilor aplicațiile reactoarelor nucleare (din prezentarea ppt)

:

Elevilor li se recomandă să observe cu atenţie reacţia de fisiune nucleară în lanţ ce se produce în

interiorul unui reactor nuclear în programul de simulare Phet .

7. Se solicită elevilor sa acceseze link-ul http://www.nuclearinst.com/Nuclear-Reactor-Simulator

pentru a putea identifica si discuta componentele unui reactor nuclear.

a) Combustibilul nuclear Reacția de fisiune în lanț are loc în combustibilul nuclear. Aproape toate

reactoarele nucleare utilizează uraniul drept combustibil. Reactoarele comerciale, cu câteva excepții,

utilizează uraniul îmbogățit 2-5% în izotopul U235. Unele reactoare utilizează un combustibil ce conține

pe lângă uranium și plutoniu MOX), un alt element fisionabil. Combustibilul și structura mecanică în care

este acesta așezat formează zona activă (inima) reactorului.

b) Moderatorul Moderatorul este necesar pentru încetinirea neutronilor rezultați din fisiune

(neutron termici) pentru a le crește eficiența de producere a unor noi reacții de fisiune. Moderatorul

trebuie să fie un element ușor care permite neutronilor să se ciocnească fără a fi capturați. Ca

moderatori se utilizează apa obișnuită, apa grea (deuterium) sau grafitul.

c) Agentul de răcire Pentru a menține temperatura combustibilului în limite tehnic acceptabile

(sub punctual de topire) căldura eliberată prin fisiune sau prin dezintegrarea radioactivă trebuie extrasă

din reactor cu ajutorul unui agent de răcire (apa obișnuită, apa grea, dioxid de carbon, heliu, metale

topite, etc). Căldura preluată și transferată de agentul de răcire poate alimenta o turbină pentru a genera

electricitate.

d) Barele de control Barele de control sunt realizate din material ce absorb neutronii precum:

borul, argintul, indiul, cadmiul si hafniul. Ele sunt introduse în reactor pentru a reduce numărul de

neutroni și a opri reacția de fisiune când este necesar, sau pentru a regla nivelul și distribuția spațială a

puterii din reactor.

e) Alte componente Unele reactoare au zona activă învelită cu un reflector care are scopul de a

returna neutronii ce părăsesc reactorul și a maximiza utilizarea lor eficientă. Adesea agentul de răcire

și/sau moderatorul au și rolul de reflector. Zona activă și reflectorul sunt dispuse în interiorul unui vas

rezistent la presiune (vasul reactorului).

Pentru reducerea nivelului radiațiilor produse prin fisiune, zona activă este înconjurată de ecrane

groase ce absorb radiațiile: beton, apă obișnuită, plumb, etc. Controlul și reglarea funcționării reactorului

se realizează cu ajutorul a numeroase instrumente și sisteme de suport logistic care monitorizează

(urmăresc) temperatura, presiunea, nivelul de radiație, nivelul de putere și alți parametri. În manta

neutronii produc și căldură care este evacuată cu o buclă de răcire cu apă și transferată unui schimbător

de căldură pentru a produce abur.

Aburul acționează o turbină producând electricitate.

Apoi elevii vor deschide aplicația de pe platforma AeL si vor identifica din nou componentele unui

reactor nuclear ( modulul M3 ,,Tipuri de reactoare”).

Apoi li se solicită rezolvarea evaluării de pe platformă nuclear ( modulul M3 ,,Tipuri de reactoare”):

În cadrul aceluiași modul elevii vor urmări și modul de funcţionare al reactorului de la Cernavodă.

Pentru a vizualiza modul în care se produce pornirea unui reactor nuclear, elevii vor deschide filmul:

Nuclear_Reactor_start_up,

iar pentru a vizualiza modul de funcționare a unui reactor aceștia vor deschide filmul:

How_a_Nuclear_Reactor_Works___IMechE.

In modulul M4 al lecției de pe platforma AeL ,,Controlul fisiunii nucleare în reactor” elevii vor

exersa virtual cum se controlează un reactor nuclear! Pentru aceasta, elevii trebuie să utilizeze controalele

indicate pentru a menţine controlul şi funcţionarea reactorului nuclear.

8. Apoi elevii vor accesa modulul M5 ,,Combustibilul nuclear” în care sunt prezentate noţiuni de bază

despre combustibilul nuclear.

Elevii trebuie urmărească și să explice modul de extragere a minereului de uraniu.

9. Elevii vor accesa apoi modulul M6 ,,Managementul deşeurilor radioactive” în care este prezentat

ciclul combustibilului nuclear.

Elevul va urmări etapele ciclului de combustibil nuclear prezentate în animaţie cu explicațiile aferente

fiecărei etape.

III. Feed – back-ul

Li se solicită elevilor să acceseze conturile de gmail create anterior și profesorul va trimite fiecărui

elev testul de evaluare.

Elevii vor avea la dispoziție 10 minute pentru a rezolva testul și a-l trimite profesorului.

După ce toți elevii trimit testul rezolvat, profesorul va comunica rezultatele insiste asupra noțiunilor

la care rezultatele la test sunt sub medie.

IV. Asigurarea retenţiei şi a transferului

Elevii să realizeze acasă un eseu de 2 pagini cu tema: „Energia nucleara vs energia

convențională”

Anexa 1

Test: Fisiunea nucleară. Reactorul nuclear

*Obligatoriu

1 *Cel mai utilizat tip de resursa energetica conventionala este:

Marcați un singur oval.

o Carbunii

o Petrolul

o Gazul natural

2 *Avantajele utilizarii energiei conventionale:

Marcați un singur oval.

o Randament foarte mare

o Resurse nelimitate

o Costul relativ mic

3 *Fisiunea nucleara este reactia de ...... a unui nucleu greu in doua sau mai multe ......care au

masa mai .........

Marcați un singur oval.

o rupere, nuclee, mare

o contopire, nuclee, mica

o rupere, nuclee, mica

o rupere, particule, mica

4 *Procesul de fisiune nucleara este un proces spontan, exoenergetic.

Bifați toate variantele aplicabile.

o Adevarat

o Fals

5 *Fisiunea nucleara conduce la:

Marcați un singur oval.

o aparitia unor fragmente mai usoare fara degajare de energie

o degajare mare de energie, masa fragmentelor fiind egala cu cea a nucleului care

fisioneaza

o obtinerea unor fragmente de fisiune a caror masa insumata este mai mica decat cea a

nucleului fisionat si care sunt si beta(-) radioactive

6 *Reacţia de fisiune se întreţine atunci cand cantitatea de material fisionabil este:

Marcați un singur oval.

o mai mare decat masa critica

o egala cu masa critica

o mai mica decat masa critica

7 *Energia la fisiunea nucleelor de uraniu:

Marcați un singur oval.

o este in intregime regasita sub forma de energie cinetica a fragmentelor

o poate fi calculata exact daca sunt cunoscute masele exacte ale fragmentelor si a

nucleului ce fisioneaza

o este mai mica decat 250 MeV/ fisiune

8 *Care este asemanarea dintre fisiunea spontana si cea indusa?

Marcați un singur oval.

o in ambele cazuri se emit neutroni

o este necesara o tunelare a barierei de fisiune in ambele cazuri

o nu exista nici o asemanare

9 *Reactoarele cu apa grea sub presiune sunt cele mai utilizate in intrega lume

Bifați toate variantele aplicabile.

o Adevarat

o Fals

10 *Reactoarele cu apa in fierbere nu se mai utilizeaza la ora actuala

Bifați toate variantele aplicabile.

o Adevarat

o Fals

11 *Majoritatea a reactorilor energetici in functie se bazeaza pe fisiunea U-235 pentru ca:

Marcați un singur oval.

o acesta este la fel de abundent ca si U- 238

o U -238fisioneaza si spontan

o sectiunea eficace de fisiune cu neutroni termici cu 235U este mult mai mare decat cea cu

neutroni rapizi cu U-238

12 *Controlul si reglarea puterii unui reactor nuclear

Marcați un singur oval.

o este posibila datorita existentei neutronilor intarziati

o se face intotdeauna folosind bare de bor

o este posibila datorita faptului ca moderatorul incetineste neutronii

13 *Materialele de moderare sunt destinate incetinirii neutronilor pana cand acestia ajung la

nivelul mediu al energiei cinetice a particuleleor din mediul inconjurator.

Bifați toate variantele aplicabile.

o Adevarat

o Fals

14 *PWR utilizeaza combustibil capsulat, vase sub presiune, scuturi si instrumentatie de

monitorizare si de control pentru toate sistemele reactorului.

Bifați toate variantele aplicabile.

o Adevarat

o Fals

15 *Tipurile de reactoare cu fisiune critică sunt:

Bifați toate variantele aplicabile.

o Reactoare de putere

o Reactoare de cercetare

o Reactoare reproducătoare

16 *Imbogatirea combustibilului nuclear presupune:

Marcați un singur oval.

o Cresterea procentajului de U-235

o Cresterea procentajului de U-238

o Scaderea procentajului de U-235

17 *Tehnologiile moderne de extragere a uraniului presupun:

Marcați un singur oval.

o Extragerea din mine sub forma de minereu

o Injectarea de solutii acide in minereu

o Injectarea de solutii bazice in minereu

18 *Dupa racire si diminuarea radioactivitatii, combustibilului nuclear este stocat intermediar in:

Marcați un singur oval.

o containere de otel si beton

o puturi adanci

o fundul marilor si oceanelor

Nume prenume/semnătură cursant

Prof. Liliana CARP

____________________________