Изучение физических основ ядерной энергетики в курсе физики средней школы

47

Министерство образования Республики Беларусь

Брестский государственный университет

Кафедра методики преподавания физики и ОТД

Дипломная работа

по методике преподавания физики

на тему

Изучение физических основ ядерной энергетики в курсе физики средней школы

Студента - выпускника

физического факультета

Стрехи Владимира Анатольевича

Научный руководитель

Котловский Олег Адольфович

Брест 2010

Содержание

• Введение
• Глава 1. Теоретические аспекты образования в сфере ядерной энергетики
• Глава 2. Практика изучения вопросов ядерной энергетики в курсе физики средней школы
• Заключение
• Литература
• Введение
• Интенсивное развитие ядерной энергетики, широкое использование в промышленности, сельском хозяйстве и медицине других источников ионизирующих излучений, выдвигает задачу целенаправленного обучения учащихся основам ядерной физики. Особенно актуальным это является для нашей республики в свете строительства в Беларуси собственной атомной электростанции.
• Знание основ ядерной энергетики позволит адекватно относиться к строительству АЭС, позволит в дальнейшем в стране готовить достойные кадры для работы на электростанции. Причем ведущая роль в организации такого образования должна принадлежать в школе учителю физики.
• Изучение ядерной энергетики школьниками в процессе обучения физике связано, прежде всего, с формированием у них убеждения в экономической выгоде производства электроэнергии от АЭС по сравнению с другими способами. Таким образом, показ возможных путей выхода из энергетического кризиса, основанных на достижениях в области современной физики представляет собой важный аспект образования школьников при обучении физике. Изучая курс физики, ученики должны получить четкое представление о главных источниках энергии в природе. Это трудно сделать, не расширяя и не перегружая программу, но акцентируя внимание учеников на проблемах энергетики тесно связанных с учебным материалом, и организуя соответствующую внеклассную работу, можно добиться результата. Энергетическая направленность преподавания физики может быть усилена главным образом в результате рассмотрения некоторых физических величин (активность, период полураспада, и др.), а также явлений (радиоактивного распада, различного вида ионизирующих излучений и пр.) и прикладных вопросов (например, использование ядерной энергии) с точки зрения их роли в существовании человека на Земле. Это позволит добиться того, чтобы школьники могли оценить целесообразность использования ядерной энергии. Ядерноэнергетический аспект школьного курса физики, в принципе, заключается в сообщении учащимся технических и технологических основ ядерной энергетики. Особое внимание необходимо уделять таким вопросам как ядерные реакции, энергетический выход ядерной реакции, цепные ядерные реакции, ядерный реактор.
• Содержание программного материала курса физики дает возможность познакомить школьников с рядом идей, раскрывающих физико-технический аспект современного энергетического кризиса и путей его преодоления. Изучение физических аспектов ядерной энергетики ведет к повышению их интереса к предмету, убеждает в жизненно важном значении этих знаний и умений.
• Чтобы эти потенциальные возможности при изучении курса физики стали реальными, учителю нужно проникнуться целями развития ядерной энергетики, осознать ее насущную необходимость в наши дни. Ведь выживание человечества зависит сейчас от источников энергии.
• Данные положения и определили актуальность темы предлагаемой дипломной работы.
• Для достижения основной цели работы потребовалось решение следующих задач:
• 1. Анализ методики изучения физических основ ядерной энергетики в курсе физики средней школы.
• 2. Изучение имеющегося педагогического опыта по организации изучения учащимися основ ядерной энергетики в курсе физики средней школы.
• 3. Разработка факультатива «Основы ядерной энергетики» в средней школе.
• 4. Экспериментальная проверка предлагаемой методики в период педагогической практики.
• В ходе выполнения дипломной работы использовались следующие методы исследования:
• · Теоретический анализ методической литературы по данной теме исследования
• · Анализ учебников физики и программы курса физики 11 класса
• · Педагогический эксперимент

• Глава 1. Теоретические аспекты образования в сфере ядерной энергетики
• За последние десятилетия атомная физика обогатилась новыми открытиями, имеющими практическое значение в настоящее время и огромные перспективы в будущем.
• Практическое значение этих достижений огромно. Человечество получило новый источник энергии, техническая задача получения которой уже решена. Строятся атомные электростанции с различными типами ядерных реакторов. Проводятся работы по управляемым термоядерным реакциям. Создана и развивается ядерная энергетика, промышленность и техника. Применяются в науке и народном хозяйстве радиоактивные изотопы[18].
• Раздел «Ядерная физика и элементарные частицы» в школьном курсе должен знакомить учащихся с успехами, достигнутыми в развитии физики атома и ядерной технике за последнее десятилетия, и с их практическими применениями. Этого раздел в школьной программе повышает научный уровень преподавания физики в целом[20].
• Изучение строения вещества и атома в средней школе не ограничивается последним разделом курса физики.
• Формирование представлений об их строении начинается значительно раньше, например, в теме о молекулярно-кинетической теории. Оно продолжается при ознакомлении с электронной теорией. Изучение электронной и ионной проводимости, свойств электронных пучков, определение заряда электрона и одновалентного иона подготавливают учащихся к пониманию раздела «Ядерная физика и элементарные частицы».
• Этому также способствует изучение элементарных сведений о молекулах и атомах в связи с усвоением в курсе химии периодического закона Д.И. Менделеева.
• Ознакомление с превращениями атомов, взаимными превращениями элементарных частиц, экспериментальными методами, при помощи которых познается строение и свойства атомов, атомных ядер и их составных частиц, способствует решению одной из важнейших задач обучения и воспитания -- формированию диалектико-материалистического мировоззрения учащихся.
• Знакомство с экспериментальными методами атомной физики убедит учащихся в реальности существования атомов и элементарных частиц и в возможности их познания. Этому будет способствовать, например, анализ фотографий следов заряженных элементарных частиц, различных ядер атомов, полученных с камеры Вильсона (движение б-частиц, протонов и электронов в камере Вильсона; то же при наличии магнитного поля; образование изломов на конце следа б-частиц при рассеивании последних ядрами атомов и др.) или при помощи толстослойных фотографических эмульсий[20].
• В связи с бурным развитием атомной физики и ядерной техники учебный материал о строении вещества все время уточняется, а методика его изложения совершенствуется. В частности, разработанные школьные приборы и наглядные пособия по физике атома (школьная камера Вильсона, диффузионная камера, счетчик Гейгера--Мюллера, учебные кинофильмы по строению атома, атомной энергетике и методу «меченых» атомов, настенные таблицы и др.) открывают новые методические возможности для изучения в школе раздела об атоме на экспериментальной основе.
• Изложение учебного материала целесообразно иллюстрировать простейшими числовыми примерами, показывающими, что в области физики атома мы встречаемся с частицами, движущимися с большими скоростями; с ядрами атомов, в которых плотность вещества и запасы энергии огромны; с процессами, протекающими в течение весьма малых промежутков времени, и т. п. Такие иллюстрации, а также решение задач, где используются данные, характеризующие атомы, элементарные частицы и экспериментальные методы, применяемые в этой области науки, убедят учащихся в возможности расчетов атомных явлений, создадут у них представления о порядке физических величин в микромире[20].
• Вышесказанное имеет огромное значение в первую очередь в связи с тем, что споры о целесообразности строительства в стране собственной атомной электростанции завершены. Уже нет сомнений, что АЭС в Беларуси быть. Глава государства на совещании по строительству атомной электростанции одобрил предложения Национальной Академии наук и правительства, которому поручено в сжатые сроки внести соответствующие предложения в Совет безопасности.
• По мнению первого вице-премьера Беларуси Владимира Семашко, собственная АЭС позволит повысить энергетическую безопасность страны в условиях дефицита и повышения цены на углеводородное сырье в России. По его словам, уже сегодня в России отмечается дефицит электроэнергии, такая же ситуация с природным газом. К тому же, через несколько лет цена на газ в самой России будет неуклонно расти и может приблизиться к 180-200 долларам за тысячу кубометров. В связи с этим, по мнению ученых и руководства страны, энергетика в Беларуси без атома уже немыслима. Государственная политика в сфере энергетики определена в двух ранее принятых документах: Концепции энергетической безопасности и повышения энергетической независимости и Государственной комплексной программе модернизации основных производственных фондов белорусской энергетической системы, энергосбережения и увеличения доли использования в собственных топливно-энергетических ресурсов в 2006-2010 гг. Первая открытая дискуссия на тему строительства АЭС состоялась в марте 2003 г. в Министерстве энергетики с участием главы белорусского государства. Тогда мнения чиновников и ученых разделились: «за» -- как и сейчас, выступили Владимир Семашко -- тогдашний министр энергетики, и Михаил Мясникович -- председатель Национальной Академии наук Беларуси, в числе противников строительства оказались председатель Национального банка Петр Прокопович и председатель Комэнергоэффективности Лев Дубовик[21].
• В условиях постоянно растущих цен на российские энергоносители рано или поздно курс государства на безъядерную энергетику пришлось бы сменить. Затянувшиеся переговоры с ОАО «Газпром» по так называемому «газовому вопросу» лишь ускорили этот процесс. «Постоянно растущие цены на энергоресурсы и истощение мировых природных запасов настойчиво заставляют нас искать новые оптимальные варианты развития белорусской энергетики, -- подчеркнул на совещании президент. -- В складывающейся ситуации с энергоресурсами вопрос о создании собственной ядерной энергетики становится практически безальтернативным вариантом гарантии национальной безопасности Беларуси и условием обеспечения страны дешевой энергией». Отметим, что сегодня доля импортных энергоресурсов в общем объеме их потребления в стране составляет около 85%, из них львиная доля приходится на Россию. По мнению ряда экспертов, зависимость от единственной «российской иглы» только усугубляет экономическую ситуацию в стране: нет путей для маневрирования. Например, поставки газа несколькими компаниями существенно бы повлияли в сторону уменьшения стоимости углеводородного сырья для страны. Ученые и специалисты на общем собрании НАН Беларуси единогласно высказались за строительство атомной электростанции в стране. Беларуси, как сообщил Владимир Семашко, необходимо хотя бы 25% энергии вырабатывать на собственной атомной электростанции. Строительство АЭС в Беларуси мощностью 2 млн. кВт позволит ежегодно экономить около 4,5 млрд. кубометров газа в топливном балансе страны. В то же время следует отметить, что природный газ все равно будет занимать значительную часть в балансе страны. В противном случае «ударная газификация» Полесья и других агрогородков окажется чем-то похожим на «поднятие целины». К тому же, за последние годы в развитие, строительство и модернизацию газотранспортной системы вложены немалые деньги, которые необходимо возвращать. Первый вице-премьер отметил, что 93% выработки энергии на теплостанциях идет с использованием газа -- нигде в мире такого нет. Если мы построим АЭС, снизим этот показатель до 65%. Он подчеркнул необходимость диверсификации источников получения энергии. «Это постулаты энергетической безопасности -- энергию надо брать сразу из нескольких источников: тепловых, электро- и гидроэлектростанций», -- сказал Владимир Семашко.
• Сам факт существования атомной станции на территории Беларуси еще не означает подвергнуть себя страшному риску, уверен глава государства. «Как бы мы сегодня ни твердили о безопасности, Европа напичкана ядерными станциями, -- заявил он. -- Со стороны России, Украины мы тоже окружены ядерными станциями -- вот и вся наша безопасность. Свидетельством тому является Чернобыльская электростанция. Вроде не мы строили, не на нашей земле. А взорвалась -- пострадали больше всего мы. Сегодня Беларусь окружена ядерными электростанциями. Только мы ничего от этого не имеем, кроме высоких цен на электроэнергию. В связи с этим нам вряд ли стоит игнорировать мировые тенденции и культивировать в сознании белорусов радиофобию и постчернобыльский синдром». Сегодня в мире работает 442 ядерных энергоблока. В ближайшее время будет введено в строй еще 60. Наибольшее развитие атомная энергетика получила в Европе, где ее доля в общем объеме производимой электроэнергии составляет более 30%, а во Франции -- 80%. По мнению главы государства, с учетом всех этих факторов Беларуси вряд ли стоит игнорировать мировые тенденции. Более того, активное развитие атомной энергетики ведет к росту цен на соответствующее оборудование. Проект и технология реактора будут отвечать самым современным и жестким требованиям безопасности: «Сегодня отчетливо ясна задача -- снизить беспокойство общественности относительно использования мирного атома. А это значит, что площадка для размещения станции должна быть выбрана нами безошибочно». Как было отмечено, строительство АЭС -- дело далеко не одного года. Говоря о подготовке квалифицированных специалистов для эксплуатации станции, президент подчеркнул, что этот вопрос напрямую связан с проблемой безопасности. По итогам обсуждения в качестве места для строительства АЭС предпочтение было отдано Островецкому району Гродненской области. Председатель президиума Национальной Академии наук Михаил Мясникович подчеркнул, что сегодня АЭС активно используются в Украине и России. В прошлом году принято решение о строительстве атомной электростанции в Польше. Форсирует работы в данном направлении Финляндия, соответствующее решение принимают Швеция и целый ряд других государств включая страны Балтии, которые планируют строить единую станцию на три государства. В России федеральной программой развития атомной энергетики предусмотрено к 2015 году в 2,5 раза увеличить выработку электроэнергии на АЭС. После 2012 года планируется ежегодно вводить по 2 энергоблока. В Японии, расположенной в сейсмоопасной зоне, в 2010 году около трети электроэнергии вырабатывается на АЭС. Уже после Чернобыльской катастрофы в разных странах было построено более 120 ядерных энергоблоков. Согласно концепции энергетической безопасности, ввод первого энергоблока АЭС в Беларуси возможен в период 2013-2015 гг. Как пояснил Михаил Мясникович, стоимость строительства двух энергоблоков АЭС в Беларуси составит порядка $3-$3,5 млрд. Возведение атомной электростанции планируется за счет собственных и привлеченных на выгодной основе кредитных ресурсов. Научным сопровождением проекта занимается Объединенный институт энергетических и ядерных исследований «Сосны» Национальной Академии наук, который имеет необходимый научный потенциал и опыт. Сегодня Беларусь внимательно изучает опыт европейских стран, США, Японии в сфере безопасности в ядерной энергетике. Внимательно рассматриваются и российские предложения[21].
• В том, что строительство в Беларуси атомной электростанции является энергетически выгодным -- она решит проблемы энергетической безопасности страны, по крайней мере, в 2020 году, -- уверен и генеральный директор Объединенного института энергетических и ядерных исследований «Сосны» Вячеслав Кувшинов. По его словам, есть еще и экологические преимущества атомных станций по сравнению с тепловыми, которые засоряют колоссальным образом атмосферу. «После исследования десятков и сотен тысяч схем вырисовывается, что у нас будет иметься брешь порядка 20% в энергетической потребности, и ее нельзя будет закрыть никакими другими источниками энергии, -- сказал он. -- Ясно, что российский газ дорожает, и естественно, что мы тоже со временем перейдем на европейские цены. Быстро или медленно, но это произойдет. Выходить из этого положения только за счет местных ресурсов очень сложно -- имеющиеся котельные, сделанные под газ, необходимо переделывать на торф, бурые угли, которые тоже по-своему вредны и дают большие выбросы, с которыми зачастую неизвестно как бороться[18].
• Глава 2. Практика изучения вопросов ядерной энергетики в курсе физики средней школы
• Важность раздела об атоме в школьном курсе физики побудили многих учителей и методистов заняться разработкой методики его изучения в школе. Результаты этих усилий опубликованы в методической литературе.
• Тем не менее, объем учебного материала, последовательность его изложения и методика изучения требуют дальнейшего совершенствования.
• Весь учебный материал можно разделить на три части: ядерная модель атома и электронная оболочка; физические основы учения об атомном ядре, включая радиоактивность, ядерные реакции; ядерная энергия и применение радиоактивных изотопов.
• К изучению первой группы вопросов учащиеся уже подготовлены курсами физики и химии. Они знают периодический закон Д.И. Менделеева, периодическую систему элементов и ее связь со строением атома, электронные слои, имеют представление об изотопах (из курса химии). Учащиеся знают заряд одновалентного иона, определенный из законов электролиза, им известно, как действует на электронный пучок электрическое и магнитное поле, что такое ионизация, линейчатые спектры, в частности спектр водорода в видимой области, они знают ряд квантовых явлений -- фотоэффект, люминесценцию и фотохимическое действие света и имеют другие сведения, весьма важные для изучения строения атомов и их свойств.
• В основу изложения материала надо положить экспериментальные методы. Именно на эту сторону дела следует обратить главное внимание на уроках физики. Следует также шире использовать учебные кинофильмы, слайды и таблицы, которые дают возможность разъяснить опытную основу изучение строения атома.
• Изучение строения атомов в средней школе обычно начинается с рассмотрения радиоактивности и способов наблюдения ионизирующих частиц. Между тем явление радиоактивности доказывает распад ядер. Ведь б-, в- и г-излучения образуются в результате процессов, происходящих в атомных ядрах, а не в электронной оболочке. Поэтому при разъяснении сложности атома следует обратиться к анализу классических экспериментов и не подменять их рассмотрением только радиоактивности.
• Для изложения опыта Резерфорда по рассеянию б-частиц необходимо, чтобы учащиеся уже знали, что такое радиоактивное вещество, которое используется в качестве источника б-частиц. Знания, полученные по радиоактивности школьного курса химии, достаточны для этой цели. Экспериментальные методы изучения самого явления радиоактивности будут рассмотрены несколько позднее.
• Исследование свойств атомных ядер и нуклонов в настоящее время ведется при воздействии на них главным образом ускоренных заряженных частиц, а не продуктов радиоактивного распада (как менее эффективных в этом отношении). Поэтому следует рассмотреть некоторые типы ускорителей или, из-за недостатка учебного времени, хотя бы один из них -- циклотрон. Это подготовит учащихся к пониманию способов осуществления ядерных реакций.
• В следующей за строением атома главе рекомендуется изучить явление радиоактивности, свойства б-, в- и г-излучений, способы их обнаружения: камеру Вильсона, счетчик Гейгера-Мюллера и метод толстослойных фотоэмульсий; радиоактивные превращения, период полураспада, принцип устройства и действия циклотрона.
• Одно из центральных мест раздела об атоме должны занять вопросы физики ядра -- его состав и ядерные реакции. Здесь важно не простое перечисление частиц, из которых состоит ядро атома, не перечень возможных ядерных реакций, а рассмотрение основополагающих опытов, при помощи которых были получены сведения о составе ядра и ядерных превращениях: опыт по обнаружению нейтронов, эксперимент, приведший к открытию позитронов, опыт Резерфорда по превращению азота в кислород и др. Должны быть рассмотрены основные свойства протонов, нейтронов и позитронов.
• Нами был разработан факультативный курс «Основы ядерной энергетики» и анкета состоящая из тринадцати вопросов [приложение №1]. Было проведено анкетирование учащихся Рубельской средней школы 11-х классах (63 человека). Оно показало, что школьники полностью не готовы к такого рода вопросам, хоть вопросы были подобраны элементарные. По нашему мнению это объясняется недостаточным количеством часов выделяемое на изучение этих вопросов в курсе физики средней школы.
• Такое положение приводит к тому, что школа продолжает выпускать неподготовленных в области ядерной энергетики выпускников. И это при постоянном, устойчивом интересе к вопросам энергетики, перспективам строительства АЭС в Беларуси.
• В данных условиях особую актуальность приобретает внеклассная работа учителя физики по образованию в области ядерной энергетики. Нами было разработано календарно - тематическое планирование состоящее из 9-и занятий, которое включало в себя 7 лекционных занятия и 2 урока решения задач [приложение №2, №3]. Также были разработаны две компьютерные модели: модель цепной ядерной реакции и модель ядерного реактора.
• С целью экспериментальной проверки предлагаемой методики в Рубельской средней школе был проведён педагогический эксперимент. Для учащихся 11-х классов в количестве двадцати пяти человек проводились факультативные занятия по выше приведённой тематике. Перед началом факультатива и после его завершения было проведено анкетирование по разработанной нами анкете [приложение №1]. Результаты эксперимента приведены в нижеследующих диаграммах:
• Анализ результатов ответов школьников на вопрос:
• 1 вопрос:
• После проведения факультатива ученики пришли к выводу, что знания в области ядерной энергетики обязательны для них.
• 2 вопрос:
• 3 вопрос:
• 4 вопрос:
• 5 вопрос:

• 6 вопрос:
• 7 вопрос:
• 8 вопрос:

• 9-13 вопрос:
• На данные вопросы учащиеся не смогли дать правильные ответы, но после повторного анкетирования 70% опрашиваемых ответили правильно.
• Заключение
• Знания в области ядерной физики необходимо рассматривать как целостный процесс подготовки личности к жизни в условиях перехода на ядерные источники энергии в нашей стране. Этот процесс включает овладение человеком соответствующих знаний, умений и навыков, формирование соответствующего мировоззрения: взглядов, убеждений, идеалов, развитие необходимых волевых качеств, установление эмоционально-ценностных отношений участников педагогического процесса.
• Не нужно забывать, что знание основ ядерной энергетики - необходимый элемент современной цивилизации и культуры, особенно для нашей республики.
• Несмотря на трагические события, связанные с чернобыльской аварией 1986 г., и получившее в связи с этим широкий размах движение против развития ядерной энергетики и строительства АЭС, результаты исследований последних лет в различных областях инженерных дисциплин и физики высоких энергий, а также заключения авторитетных международных комиссий, убедительно свидетельствуют в пользу дальнейшего развития ядерной энергетики в самых широких масштабах. Уже сегодня существуют и одобрены экспертами из ведущих ядерных стран проекты по созданию ядерных энергетических установок на качественно новом уровне безопасности для различных географических зон с отличающимися климатическими условиями.
• В условиях острого дефицита органических энергоносителей в Беларуси ядерная энергетика является реальной альтернативой. В новых политических и экономических условиях, сложившихся в результате преобразований последних 15 лет в странах СНГ, Беларусь может и должна активно включиться в развитие отечественной ядерной энергетики, которая вполне может стать конкурентоспособной по отношению к традиционной энергетике, использующей органическое топливо. Разработанные российскими специалистами проекты создания АЭС, а также исследования, проведенные еще в 1978-79 г.г. Белорусским отделением ВНИПИ энергопрома, показали реальную техническую возможность и экономическую целесообразность создания подобных станций в близи крупных городов Беларуси с целью обеспечения тепловой энергией промышленных и жилых объектов.
• Но для того чтобы воспитать у населения правильное понимание ядерной энергетики: всех её достоинств, а также рисков, нужно в первую очередь откорректировать школьный курс физики. Последние восемь уроков в учебном году не являются методически эффективными.
• Чтобы исправить ситуацию нами предлагается введение факультативного курса, который, как показало наше исследование, изменяет ситуацию в лучшую сторону.

• Литература
• 1. Абрамов А.И. Деление атомных ядер - Пособие по курсу «Основы Ядерной и нейтронной физики». - Обнинск, 1991.

2. Глесстон С. Атом. Атомное ядро. Атомная энергия. Перевод Флеровой М.Н., под редакцией академика Арцимовича Л.А - М.: Издательство иностранной литературы, 1961.

3. Бабанский Ю.К. Проблемы повышения эффективности педагогических исследований.- М.: Педагогика, 1982.

4. Макаров А.А., Волкова Е.А., Браилов В.П. Долгосрочный прогноз развития ТЭК России и место ядерной энергетики в нем. Доклад на X конференции ядерного общества России “От первой в мире АЭС к атомной энергетике ХХI века». Обнинск, июнь 1999.

5. Маргулова Т.Х., Порушко Л. А. Атомные электрические станции. - Учебник для техникумов. - М.: Энергоиздат, 1982.

6. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы: Учебник для ВУЗов - М.: Энергоатомиздат, 1984.

7. Атомные электрические станции / Под ред. Л.М. Воронина. М.: Энергия, 1977.

8. Стерман Л.С. и др. Тепловые и атомные электрические станции: Учебник для ВУЗов / Л.С. Стерман, В.М. Ладыгин, С.Г. Тишин. - М.: Энергоатомиздат, 1995.

9. Кащеев В.П. Ядерные энергетические установки: Учебное пособие для ВУЗов. - Мн.: Выш. шк., 1989.

10. Батов В.В., Корякин Ю.И. Экономика ядерной энергетики. М.: Атомиздат, 1969.

11. Эффективность использования атомной энергии для теплоснабжения в Белорусской ССР. БелНИИНТИ, Минск, 1979.

12. Бабанский Ю.К. Проблемы повышения эффективности педагогических исследований.- М.: Педагогика, 1982.

13. Балашенко С.А. Элементы концепции экологического воспитания и об-разования в стратегии устойчивого развития Республики Беларусь // Кiраванне адукацыi.- 1999.- N 1.

14. Ольсевич О.Я., Гудков А.А. Критика экологической критики. - М.: Мысль, 1990.

15. Ядерная и термоядерная энергетика будущего/Под ред. Чуянова В.А. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

16. Ядерный след/ Губарев В.С., Камиока И., Лаговский И.К. и др.; сост. Малкин Г. - М.: ИздАТ, 1992.

17. В.В. Бадев, Ю.А. Егоров, С.В. Казаков "Охрана окружающей среды при эксплуатации АЭС", Москва, Энергоатомиздат, 1990 г.

18. Казачковский О. Д. Основы рациональной теории стоимости. М.: Энергоиздат, 2000.

19. Воронин, Л.М. Особенности эксплуатации и ремонта АЭС / Л.М. Воронин. - М., 1981.

20. Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы / Под ред. С.Е. Каменецкого. Н.С. Пурышевой. - М.: Издательский центр «Академия», 2000.

21. Энергетика Беларуси: пути развития / Под ред. Е.Ю. Раковой. - Мн., 2009.

Приложение №1

Анкета «Ядерная энергетика в Республике Беларусь»

1. Считаете ли Вы, что знания в области ядерной энергетики обязательны для школьников.

1.1. Да.

1.2. Нет.

2. Изучаете ли Вы подобный курс в школе.

2.1. Да.

2.2. Нет.

3. Нужно ли развивать в РБ ядерную энергетику?

3.1. Да.

3.2. Нет.

4. Как Вы считаете, необходимо ли строить АЭС в РБ или лучше развивать другие источники энергии?

4.1. Необходимо строить.

4.2. Строить не надо, лучше развивать другие источники энергии.

4.3. Затрудняюсь ответить.

5. Как Вы считаете, строительство АЭС в РБ:

5.1. Экономическая необходимость.

5.2. Строительство престижа.

5.3. Неизбежное зло.

5.4. Затрудняюсь ответить.

6. Как Вы считаете, возможна ли авария на будущей АЭС в РБ.

6.1. Да.

6.2. Вполне вероятно.

6.3. Маловероятно.

6.4. Нет.

7. Насколько Вы боитесь возможных катастроф на АЭС, окружающих РБ.

7.1. Очень сильно.

7.2. Достаточно сильно.

7.3. Подобные катастрофы маловероятны.

7.4. Не боюсь.

8. Знаете ли Вы принципиальное устройство АЭС?

8.1. Да.

8.2. Нет.

9. Напишите названия типов реакторов, которые Вы знаете.

10. Напишите, какого типа реактор будет использоваться на АЭС в РБ.

11. Напишите в каком районе РБ будет построена АЭС.

12. Напишите в каком году начнется строительство АЭС в РБ.

13. Напишите в каком году планируется запуск АЭС.

Приложение №2

Лекционный курс факультатива «Основы ядерной энергетики»

Физика атомного ядра. Состав атомного ядра

Изучение темы целесообразно начать с ознакомления учащихся с составом и свойствами ядра атома. Это позволит изучаемые явления (радиоактивность, ядерные реакции и т. д.) не только описать, но и объяснить.

В начале изложения нового материала напоминают школьникам о явлении радиоактивности (свидетельствующем о сложном строении ядра и нарушившем представление о неизменности атомов) и об открытии в 1910 г. английским ученым Ф. Содди изотопов, наведшем на мысль, что ядро построено из частиц, атомная масса которых равна единице, т. е. из протонов. При этом учитель должен учесть, что с понятиями «изотопы», «атомная масса» учащиеся знакомы из курса химии. В ходе рассказа вводят понятие «массовое число». Можно упомянуть, что в- радиоактивность наталкивала на мысль, что в состав ядра входят электроны. Однако эта модель оказалась несостоятельной.

Далее сообщают, что в 1932 г. Д. Чедвик открыл новую элементарную частицу -- нейтрон, незначительно отличающуюся от протона по массе и не имеющую заряда, что позволило советскому физику Д.Д. Иваненко и независимо от него В. Гейзенбергу предложить протонно-нейтронную модель ядра, общепринятую сегодня. Итак, с современной точки зрения ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре того или иного атома определяется порядковым номером Z элемента в периодической системе Менделеева, а число нейтронов равно разности между массовым числом А и числом протонов Z.

Знакомя с протонно-нейтронной моделью ядра, необходимо конкретизировать ее отдельными примерами и ознакомить с условным обозначением ядер в виде. Например, в ядре гелия Не (порядковый номер 2, массовое число 4) содержится два протона и 2 = 4--2 нейтрона.

Познакомив учащихся с процессом распада нейтрона необходимо рассказать о том, что, хотя свободный протон - частица устойчивая, внутри ядра (заимствуя энергию у окружающих частиц) протон может распадаться на нейтрон и две другие частицы - позитрон и нейтрино.

Рассматривая более подробно свойства протона и нейтрона, вводят современное представление о существовании лишь одной ядерной частицы -- нуклона, находящегося в разных зарядовых состояниях: нейтральном (нейтрон) и заряженном (протон), а это дает возможность объяснить механизм в-распада, не откладывая на конец курса.

Еще изучая опыт Резерфорда по рассеянию б-частиц, учащихся знакомят с такими характеристиками ядра, как заряд и размеры, в этом месте курса физики представляется интересным знакомить школьников с плотностью ядерного вещества. Сделать это нетрудно. Предположим, что ядро состоит из частиц примерно одинакового размера, находящихся на равных расстояниях друг от друга, так что на каждую частицу приходится один и тот же эффективный объем.

Полезно обратить внимание школьников, что плотность ядерного вещества всех ядер одинакова.

Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы

Большое внимание следует уделять понятиям, энергии связи ядра и удельной энергии связи, ибо это очень важно для объяснения энергетического выхода ядерных реакций. Чтобы учащиеся поняли лучше вопрос об энергии связи, необходимо напомнить им о потенциальной энергии взаимодействия (Земли и тела, электрона и ядра) и рассказать о том, что любые устойчивые системы частиц обладают энергией связи (например, молекула). Однако лишь в ядрах энергия связи достигает больших значений.

Энергия связи ядра, по определению, равна энергии, которую нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии. Эта же энергия (по закону сохранения и превращения энергии) выделяется при образовании ядер.

Внимание учащихся обращают на то, что масса покоя ядра меньше суммы масс покоя составляющих его нуклонов, т. е. энергия связи частиц в ядре -- величина отрицательная. Однако часто ограничиваются модулем этой величины и подсчитывают ее по формуле:

В ходе объяснения материала целесообразно предложить учащимся самостоятельно рассчитать энергию связи для разных элементов. Для облегчения расчетов надо прежде показать, что дефекту масс в 1 а. е. м. соответствует энергия ?931 МэВ = = 931*10⁶ эВ. Тогда расчет энергии связи ядра производят довольно просто. Например, для ядра гелия:

Дm=(2m_p + 2m_n) - m_я = (2*1,007276 + 2*1,008665) - 4,002600 = 0,029282

а. е. м. Этому дефекту масс соответствует энергия связи:

E= 931 МэВ/а.е.м.*0,029282 а. е. м. ?27 МэВ

На следующем уроке целесообразно предложить учащимся рассчитать удельную энергию связи некоторых элементов и убедиться, что в среднем она равна 8 МэВ/нуклон. Для урана удельная энергия связи имеет меньшее значение (примерно 7,6 МэВ/нуклон). Ядра атомов элементов, находящихся в середине периодической системы Менделеева (например, криптона), наиболее прочны. Их энергия связи близка к 8,7 МэВ/нуклон.

Этот расчет (особенно при наличии микрокалькуляторов) не занимает много времени, если энергия связи этих элементов была подсчитана на предыдущем уроке, но он способствует уяснению графика зависимости удельной энергии связи от массового числа и полезен при объяснении устойчивости элементов, находящихся в середине периодической системы.

При изучении ядра атома необходимо ознакомить учащихся с ядерными силами. Для облегчения усвоения материала целесообразно сравнивать ядерные силы с уже известными электромагнитными и гравитационными силами. Желательно, называя то или иное свойство сил, указывать, из каких опытных фактов оно вытекает.

Приведем план раскрытия этого материала.

1. Ядро атома, как известно, состоит из протонов и нейтронов.

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева, и, например, для урана заряд ядра равен 92 е. Так как размер ядра очень мал, а кулоновская сила возрастает пропорционально, то электростатическая сила отталкивания между протонами в ядре достаточна велика. Между тем ядра атомов -- устойчивые образования. Это и заставляет предположить, что между нуклонами в ядре действуют еще другие, ядерные силы, которые способны преодолеть силу кулоновского отталкивания между протонами. Интенсивность ядерных сил в 137 раз больше сил электростатического отталкивания протонов,

2. Ядерные силы зарядово-независимы, т. е. взаимодействие протона с нейтроном, нейтрона с нейтроном, протона с протоном примерно одинаково. В этом можно убедиться, рассчитав энергию связи трития и изотопа гелия . Первый из них содержит 1 протон и 2 нейтрона, а второй 2 протона и 1 нейтрон, а общее число взаимодействующих нуклонов равно 3 в каждом ядре. Энергия связи трития 8,49 МэВ, а гелия -- 7,72 МэВ; разницу в 0,77 МэВ объясняют кулоновским отталкиванием протонов в ядре гелия.

3. Ядерные силы короткодействующие. Они действуют лишь на малых расстояниях (1,5--2,2)*10^-15 м. При удалении протона из ядра (как только расстояние между ними становится более 4,2*10^-15 м) ядерные силы перестают действовать, протон и ядро взаимодействуют между собой лишь с силой электростатического отталкивания.

4. Из того факта, что удельная энергия связи не возрастает в ядрах пропорционально числу нуклонов А, следует, что для ядерных сил характерно насыщение, т. е. каждый нуклон взаимодействует лишь с ближайшими «соседями», а не со всеми нуклонами, находящимися в ядре.

При изучении свойств ядра полезно учащихся ознакомить с капельной моделью ядра (в ознакомительном плане). Необходимые для этого знания (короткодействие ядерных и молекулярных сил, свойственное обеим этим силам насыщение, плотность вещества одинакова для всех ядер) школьники получили. В дальнейшем капельную модель ядра можно использовать для объяснения деления ядер (на качественном уровне).

Особенности ядерного реактора как источника теплоты

При работе реактора в тепловыводящих элементах (твэлах), а также во всех его конструктивных элементах в различных количествах выделяется теплота. Это связано прежде всего с торможением осколков деления, бета и гамма излучением, а также ядер, испытывающих взаимодействие с нейронами, и, наконец, с замедлением быстрых нейтронов. Осколки при делении ядра топлива классифицируются по скоростям, соответствующим температуре в сотни миллиардов градусов.

Действительно, Е = mv2 = 3RT, где Е - кинетическая энергия осколков; R = 1,38·10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана. Учитывая, что 1 МэВ = 1,6·10^-13 Дж, получим 1,6·10^-6 Е = 2,07·10^-16 Т, Т = 7,7·10⁹ Е. Наиболее вероятные значения энергии для осколков деления равны 97 МэВ для легкого осколка и 65 МэВ для тяжелого. Тогда соответствующая температура для легкого осколка равна 7,5·10¹¹ К, тяжелого - 5·10¹¹ К. Хотя достижимая в ядерном реакторе температура теоретически почти неограничена, практически ограничения определяются предельно допустимой температурой конструкционных материалов и тепловыделяющих элементов. Особенность ядерного реактора состоит в том, что 94% энергии деления превращается в теплоту мгновенно, т.е. за время, в течение которого мощность реактора или плотность материалов в нем не успевает заметно измениться. Поэтому при изменении мощности реактора тепловыделение следует без запаздывания за процессом деления топлива. Однако при выключении реактора, когда скорость деления уменьшается более чем в десятки раз, в нем остаются источники запаздывающего тепловыделения (гамма- и бета-излучение продуктов деления), которые становятся преобладающими. Мощность ядерного реактора пропорциональна плотности потока нейтронов в нем, поэтому теоретически достижима любая мощность Практически же предельная мощность определяется скоростью отвода теплоты, выделяемой в реакторе. Удельный теплосъем в современных энергетических реакторах составляет 10² - 10³ МВт/м³, в вихревых - 10⁴ - 10⁵ МВт/м³.

От реактора теплота отводится циркулирующим через него теплоносителем. Характерной особенностью реактора является остаточное тепловыделение после прекращения реакции деления, что требует отвода теплоты в течение длительного времени после остановки реактора. Хотя мощность остаточного тепловыделения значительно меньше номинальной, циркуляция теплоносителя через реактор должна обеспечиваться очень надежно, так как остаточное тепловыделение регулировать нельзя. Удаление теплоносителя из работавшего некоторое время реактора категорически запрещено во избежание перегрева и повреждения тепловыделяющих элементов.

Устройство энергетических ядерных реакторов

Энергетический ядерный реактор - это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, а выделяющаяся при этом тепловая энергия отводится теплоносителем. Главным элементом ядерного реактора является активная зона. В нем размещается ядерное топливо и осуществляется цепная реакция деления. Активная зона представляет собой совокупность определенным образом размещенных тепловыделяющих элементов, содержащих ядерное топливо. В реакторах на тепловых нейтронах используется замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель, охлаждающий тепловыделяющие элементы. В некоторых типах реакторов роль замедлителя и теплоносителя выполняет одно и то же вещество, например обычная или тяжелая вода.

Схема гомогенного реактора: 1-корпус реактора, 2-активная зона, 3 компенсатор объема, 4-теплообменник, 5-выход пара, 6-вход питательной воды, 7-циркуляционный насос

Для управления работой реактора в активную зону вводятся регулирующие стержни из материалов, имеющих большое сечение поглощения нейтронов. Активная зона энергетических реакторов окружена отражателем нейтронов - слоем материала замедлителя для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Кроме того, благодаря отражателю происходит выравнивание нейтронной плотности и энерговыделения по объему активной зоны, что позволяет при данных размерах зоны получить большую мощность, добиться более равномерного выгорания топлива, увеличить продолжительность работы реактора без перегрузки топлива и упростить систему теплоотвода. Отражатель нагревается за счет энергии замедляющихся и поглощаемых нейтронов и гамма-квантов, поэтому предусматривается его охлаждение. Активная зона, отражатель и другие элементы размещаются в герметичном корпусе или кожухе, обычно окруженном биологической защитой.

Технические требования для активной зоны

Активная зона реактора должна быть спроектирована так, чтобы исключалась возможность непредусмотренного перемещения ее составляющих, приводящего к увеличению реактивности. Основной конструктивной деталью гетерогенной активной зоны является твэл, в значительной мере определяющий ее надежность, размеры и стоимость. В энергетических реакторах, как правило, используются стержневые твэлы с топливом в виде прессованных таблеток двуокиси урана, заключенных в оболочку из стали или циркониевого сплава. Твэлы для удобства собираются в тепловыделяющие сборки (ТВС), которые устанавливаются в активной зоне ядерного реактора.

В твэлах происходит генерация основной доли тепловой энергии и передача ее теплоносителю. Более 90% всей энергии, освобождающейся при делении тяжелых ядер, выделяется внутрь твэлов и отводится обтекающим твэлы теплоносителем. Твэлы работают в очень тяжелых тепловых режимах: максимальная плотность теплового потока от твэла к теплоносителю достигает (1 - 2) 10⁶ Вт/ м², тогда как в современных паровых котлах она равна (2 - 3) 10⁵ Вт/м². Кроме того, в сравнительно небольшом объеме ядерного топлива выделяется большое количество теплоты, т.е. энергонапряженность ядерного топлива также очень высока. Удельное тепловыделение в активной зоне достигает 10⁸ -10⁹ Вт/м³, в то время как в современных паровых котлах оно не превышает 10⁷ Вт/м3. Большие тепловые потоки, проходящие через поверхность твэлов, и значительная энергонапряженность топлива требуют исключительно высокой стойкости и надежности твэлов. Помимо этого, условия работы твэлов осложняются высокой рабочей температурой, достигающей (300 - 6000)⁰С на поверхности оболочки, возможностью тепловых ударов, вибрацией, наличием потока нейтронов (флюенс достигает 10²⁷ нейтрон/м²). К твэлам предъявляются высокие технические требования: простота конструкции; механическая устойчивость и прочность в потоке теплоносителя, обеспечивающая сохранение размеров и герметичности; малое поглощение нейтронов конструкционным материалом твэла и минимум конструкционного материла в активной зоне; отсутствие взаимодействие ядерного топлива и продуктов деления с оболочкой твэлов, теплоносителем и замедлителем при рабочих температурах. Геометрическая форма твэла должна обеспечивать требуемое соотношение площади поверхности и объема и максимальную интенсивность отвода теплоты теплоносителем от всей поверхности твэла, а также гарантировать большую глубину выгорания ядерного топлива и высокую степень удержания продуктов деления. Твэлы должны обладать радиационной стойкостью, иметь требуемые размеры и конструкцию, обеспечивающие возможность быстрого проведения перегрузочных операций; обладать простотой и экономичностью регенерации ядерного топлива и низкой стоимостью. В целях безопасности надежная герметичность оболочек твэлов должна сохраняться в течение всего срока работы активной зоны (3 -5 лет) и последующего хранения отработавших твэлов до отправки на переработку (1 -3 года). При проектировании активной зоны необходимо заранее установить и обосновать допустимые пределы повреждения твэлов (количество и степень повреждения). Активная зона проектируется таким образом, чтобы при работе на протяжении всего ее расчетного срока службы не превышались установленные пределы повреждения твэлов. Выполнение указанных требований обеспечивается конструкцией активной зоны, качеством теплоносителем, характеристиками и надежностью системы теплоотвода. В процессе эксплуатации возможно нарушение герметичности оболочек отдельных твэлов. Различают два вида такого нарушения: образование микротрещин, через которые газообразные продукты деления выходят из твэла в теплоноситель (дефект типа газовой плотности); возникновение дефектов, при которых возможен прямой контакт топлива с теплоносителем. Условия работы твэлов в значительной мере определяются конструкцией активной зоны, которая должна обеспечивать проектную геометрию размещения твэлов и необходимое с точки зрения температурных условий распределения теплоносителя. Через активную зону при работе реактора из мощности должен поддерживаться стабильный расход теплоносителя, гарантирующего надежный теплоотвод. Активная зона должна быть оснащена датчиками внутриреакторного контроля, которые дают информацию о распределении мощности, нейтронного потока, температурных условиях твэлов и расходе теплоносителя. Активная зона энергетического реактора должна быть спроектирована так, чтобы внутренний механизм взаимодействия нейтронно-физических и теплофизических процессов при любых возмущениях коэффициента размножения устанавливал новый безопасный уровень мощности. Практически безопасность ядерной энергетической установки обеспечивается, с одной стороны, устойчивостью реактора (уменьшением коэффициента размножения с ростом температуры и мощности активной зоны), а с другой стороны - надежностью системы автоматического регулирования и защиты. С целью обеспечения безопасности в глубину конструкция активной зоны и характеристики ядерного топлива должны исключать возможность образования критических масс делящихся материалов при разрушении активной зоны и расплавлении ядерного топлива. При конструировании активной зоны должна быть предусмотрена возможность введения поглотителя нейтронов для прекращения цепной реакции в любых случаях, связанных с нарушением охлаждения активной зоны. Активная зона, содержащая большие объемы ядерного топлива для компенсации выгорания, отравления и температурного эффекта, имеет как бы несколько критических масс. Поэтому каждый критический объем топлива должен быть обеспечен средствами компенсации реактивности. Они должны размещаться в активной зоне таким образом, чтобы исключить возможность возникновения локальных критических масс.

Классификация реакторов

Реакторы классифицируют по уровню энергии нейтронов, участвующих в реакции деления, по принципу размещения топлива и замедлителя, целевому назначению, виду замедлителя и теплоносителя и их физическому состоянию.

По уровню энергетических нейтронов: реакторы могут работать на быстрых нейтронах, на тепловых и на нейтронах промежуточных (резонансных) энергий и в соответствии с этим делятся на реакторы на тепловых, быстрых и промежуточных нейтронах ( иногда для краткости их называют тепловыми, быстрыми и промежуточными ).

В реакторе на тепловых нейтронах большая часть деления ядер происходит при поглощении ядрами делящихся изотопов тепловых нейтронов. Реакторы, в которых деление ядер производится в основном нейтронами с энергией больше 0,5 МэВ, называются реакторами на быстрых нейтронах. Реакторы, в которых большинство делений происходит в результате поглощения ядрами делящихся изотопов промежуточных нейтронов, называются реакторами на промежуточных (резонансных) нейтронах.

В настоящее время наибольшее распространение получили реакторы на тепловых нейтронах. Для тепловых реакторов характерны концентрации ядерного топлива ²³⁵U в активной зоне от 1 до 100 кг/м³ и наличие больших масс замедлителя. Для реактора на быстрых нейтронах характерны концентрации ядерного топлива ²³⁵U или ²³⁹U порядка 1000 кг/м³ и отсутствие замедлителя в активной зоне.

В реакторах на промежуточных нейтронах в активной зоне замедлителя очень мало, и концентрация ядерного топлива ²³⁵U в ней от 100 до 1000 кг/м3.

В реакторах на тепловых нейтронах деление ядер топлива происходит также при захвате ядром быстрых нейтронов, но вероятность этого процесса незначительна (1 - 3 %). Необходимость замедлителя нейтронов вызывается тем, что эффективные сечения деления ядер топлива намного больше при малых значениях энергии нейтронов, чем при больших.

В активной зоне теплового реактора должен находиться замедлитель -- вещество, ядра которого имеют малое массовое число. В качестве замедлителя применяют графит, тяжелую или легкую воду, бериллий, органические жидкости. Тепловой реактор может работать даже на естественном уране, если замедлителем служит тяжелая вода или графит. При других замедлителях необходимо использовать обогащенный уран. От степени обогащения топлива зависят необходимые критические размеры реактора, с увеличением степени обогащения они меньше. Существенным недостатком реакторов на тепловых нейтронах является потеря медленных нейтронов в результате захвата их замедлителем, теплоносителем, конструкционными материалами и продуктами деления. Поэтому в таких реакторах в качестве замедлителя, теплоносителя и конструкционных материалов необходимо использовать вещества с малыми сечениями захвата медленных нейтронов.

В реакторах на промежуточных нейтронах, в которых большинство актов деления вызывается нейтронами с энергией, выше тепловой (от 1 эВ до 100 кэВ), масса замедлителя меньше, чем в тепловых реакторах. Особенность работы такого реактора состоит в том, что сечение деления топлива с ростом энергии нейтронов в промежуточной области уменьшается слабее, чем сечение поглощения конструкционных материалов и продуктов деления. Таким образом, растет вероятность актов деления по сравнению с актами поглощения. Требования к нейтронным характеристикам конструкционных материалов менее жесткие, их диапазон шире. Следовательно, активная зона реактора на промежуточных нейтронах может быть изготовлена из более прочных материалов, что дает возможность повысить удельный теплосъем с поверхности нагрева реактора. Обогащение топлива делящимся изотопом в промежуточных реакторах вследствие уменьшения сечения должно быть выше, чем в тепловых. Воспроизводство ядерного топлива в реакторах на промежуточных нейтронах больше, чем в реакторе на тепловых нейтронах.