The teacher introduces the concept of nuclear fissionfissionfission and discusses its properties.
NuclearnuclearNuclear fission: Nuclear fission is a type of nuclear reaction in which the nucleus splits into smaller fragments with smaller mass. In the fission process free neutrons and gamma rays are produced. The process is associated with a large amount of released energy.
Nuclear fissionfissionfission is carried out in a nuclear reactor or occurs spontaneously.
Two isotopes in common use as nuclear fuels are: uranium and plutonium .
The nuclear fissionfissionfission in chain reaction proceeds in several steps:
- the neutron strikes the nucleus. - the nucleus absorbs the neutron, - the nucleus undergoes deformation, - the nucleus splits into two parts and releases two or three neutrons and energy, - the newly formed fission products lose their kinetic energy and emit gamma rays, - the fission products in the excited state lose their excess energy by radioactive decay and emit gamma rays and beta particle.
[Interactive graphics]
Chain reactionchain reactionChain reaction: The released neutrons may hit other nuclei and cause them to split. Even more neutrons are then released, which in turn can split more nuclei. This is called a chain reactionchain reactionchain reaction. The chain reaction in nuclearnuclearnuclear reactors is controlled to stop it going too fast. The chain reaction is ongoing so long as the nuclei, that can undergo fission, are present in the sample.
Critical energycritical energyCritical energy: Forced fissionfissionfission to occur requires the supply of a minimum energy.
The excitation energy of a nucleus determines how much the energy of the excited nucleus is greater than the energy of the nucleus in its ground state. The minimum excitation energy required for fission to occur must be above a certain level and is called the critical energy (EIndeks dolny cc) or threshold energy. The critical energycritical energycritical energy depends on the nuclear structure.
Critical mass: Critical masscritical massCritical mass is the minimum amount of fissile material necessary to achieve a self‑sustaining fission, chain reactionchain reactionchain reaction, characteristic of a given izotop.
Uranium fission: Uranium is the most widely used fuel for nuclearnuclearnuclear fission. Nuclear power plants use uranium enrichedenrichedenriched in the isotope as the fuel. This isotope, in contrast to the more common uranium , can fission. The fission of uranium is triggered by the absorption of a moving neutron with low energy (below 10 eV) called slow neutron and unstable is formed. High energy neutrons (0,5 – 15 MeV), called fast neutrons, are not captured. Hence, these particles must be slow down in the process of moderation in the reactor. The average number of neutrons released per fission is 2,4.
- kinetic energy of fission products is 175 MeV, - kinetic energy of fission neutrons is 5 MeV, - energy of the gamma radiation emitted during the fission is 7 MeV, - energy of beta and gamma radiation during the decay of the radioactive fission products is 13 MeV, - energy of the neutrinos is 10 MeV.
The students work in small groups on the uranium fission reactions.
Task 1
Some possible reactions resulting in different fission products are shown below. Figure out how many neutrons are produced in each reaction. Do not forget about mass number and atomic number conservation rule.
Answer:
Some of the neutrons released during the fissionfissionfission may cause new fission processes. A part of them are involved in other processes.
[Illustration 2]
Task 2
A plutonium atom is bombarded with a neutron and produces an atom of strontium and four neutrons. In this reaction the other nuclide is formed. Identify it and write the corresponding equation.
Rozszczepienie jądrowe jest rodzajem reakcji jądrowej, w której jądro dzieli się na mniejsze fragmenty o mniejszej masie. W procesie tym uwalniana jest duża ilość energii.
Aby reakcja łańcuchowa zachodziła, należy dostarczyć energię większą od energii krytycznej (progowej) i niezbędna jest minimalna masa próbki, określana jako masa krytyczna, charakterystyczna dla danego pierwiastka.
W uranie średnia energia wiązania na nukleon wynosi około 7,6 MeV. W jądrze produktu rozszczepienia energia wiązania na nukleon jest wyższa i wynosi ok. 8,5 MeV. Różnica w energii wiązania wynosi 0,9 MeV na nukleon a ma 235 nukleonów. W ten sposób, w pojedynczym procesie rozszczepienia jądra uwalniana jest energia około 210 MeV. Uwolniona energia jest sumą następujących składników:
m56f29ce5ec3e99e8_1528449000663_0
Reakcja łańcuchowa
m56f29ce5ec3e99e8_1528449084556_0
Trzeci
m56f29ce5ec3e99e8_1528449076687_0
XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:
9) opisuje reakcję rozszczepienia jądra uranu zachodzącą w wyniku pochłonięcia neutronu; podaje warunki zajścia reakcji łańcuchowej.
m56f29ce5ec3e99e8_1528449068082_0
45 minut
m56f29ce5ec3e99e8_1528449523725_0
Opisuje reakcję rozszczepienia jądra uranu zachodzącą w wyniku pochłonięcia neutronu.
m56f29ce5ec3e99e8_1528449552113_0
1. Wymienia warunki wymagane do zajścia reakcji łańcuchowej.
2. Zapisuje równanie reakcji jądrowej opisujące procesy rozszczepienia.
m56f29ce5ec3e99e8_1528450430307_0
Uczeń:
- opisuje proces rozszczepienia uranu ,
- objaśnia warunki wymagane do wystąpienia rozszczepienia.
m56f29ce5ec3e99e8_1528449534267_0
1. Dyskusja.
2. Analiza tekstu.
m56f29ce5ec3e99e8_1528449514617_0
1. Praca indywidualna.
2. Praca grupowa.
m56f29ce5ec3e99e8_1528450135461_0
m56f29ce5ec3e99e8_1528450127855_0
Nauczyciel prosi uczniów o przypomnienie wiadomości na temat reakcji jądrowych.
Czym jest reakcja jądrowa? Jakie prawa zachowania należy uwględnić, pisząc równanie reakcji?
m56f29ce5ec3e99e8_1528446435040_0
Nauczyciel wprowadza pojęcie rozszczepienia jądrowego i omawia jego własności.
Reakcja rozszczepienia jądrowego: Reakcja rozszczepienia jądrowego jest rodzajem reakcji jądrowej, w której jądro dzieli się na mniejsze fragmenty o mniejszej masie. W procesie rozszczepienia powstają swobodne neutrony i promieniowanie gamma. W procesie tym uwalniana jest duża ilość energii.
Rozszczepienie jądrowe przeprowadzane jest w jądrowych reaktorach energetycznych.
Dwa izotopy używane powszechnie jako paliwo jądrowe to: uran i pluton .
Rozszczepienie jądrowe przebiega w kilku etapach:
- neutron uderza w jądro, - jądro pochłania neutron, - jądro ulega odkształceniu, - jądro dzieli się na dwie części i uwalnia dwa lub trzy neutrony oraz wydziela się energia, - nowo utworzone produkty rozszczepienia tracą swoją energię kinetyczną i emitują promieniowanie gamma, - produkty rozszczepienia znajdujące się w stanie wzbudzenia tracą nadwyżkę energii przez rozpad radioaktywny i emitują promienie gamma i cząstki beta.
[Grafika interatywna]
Reakcja łańcuchowa: Uwolnione neutrony mogą uderzać w inne jądra i powodować ich rozszczepienie. Na wskutek tego zostaje uwolnionych coraz więcej neutronów, które z kolei mogą rozszczepić więcej jąder. Nazywa się to reakcją łańcuchową. Reakcja łańcuchowa w reaktorach jądrowych jest kontrolowana, po to, by powstrzymać jej zbyt szybki przebieg. Reakcja łańcuchowa trwa dopóki nie wyczerpie się liczba jąder obecnych w próbce, mogących ulec rozszczepieniu.
Energia krytyczna: Wystąpienie rozszczepienia wymaga dostarczenia odpowiedniej energii.
Energia wzbudzenia jądra określa, o ile energia jądra wzbudzonego jest większa niż jego energia w stanie podstawowym. Minimalna energia wzbudzenia wymagana do rozszczepienia musi być powyżej pewnego poziomu i nazywana jest energią krytyczną (Ec) lub energią progową. Energia krytyczna zależy od struktury jądra.
Masa krytyczna: Masa krytyczna to minimalna ilość materiału rozszczepialnego niezbędna do uzyskania samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej, charakterystyczna dla danego pierwiastka.
Rozszczepienie uranu: Uran jest najpowszechniej stosowanym paliwem do rozszczepienia jądrowego. Elektrownie jądrowe wykorzystują uran wzbogacony w izotop jako paliwo. Izotop ten, w przeciwieństwie do bardziej powszechnego uranu , może ulegać rozszczepieniu. Rozszczepienie uranu jest wyzwalane przez absorpcję poruszającego się neutronu o niskiej energii (poniżej 10 eV) zwanego neutronem powolnym (termicznym), po czym powstaje niestabilny izotop . Neutrony o wysokiej energii (0,5 – 15 MeV), zwane szybkimi neutronami, nie są wychwytywane. W związku z tym cząstki te muszą zostać spowolnione w procesie moderacji (spowalniania) w reaktorze. Średnia liczba uwolnionych neutronów na rozszczepienie wynosi 2,4.
Przykładową reakcję rozszczepienia :
przedstawiono schematycznie na poniższym rysunku.
[Ilustracja 1]
W uranie średnia energia wiązania na nukleon wynosi około 7,6 MeV. W jądrze produktu rozszczepienia energia wiązania na nukleon jest wyższa i wynosi ok. 8,5 MeV. Różnica w energii wiązania wynosi 0,9 MeV na nukleon a ma 235 nukleonów. W ten sposób, w pojedynczym procesie rozszczepienia jądra uwalniana jest energia około 210 MeV. Uwolniona energia jest sumą następujących składników:
- energia kinetyczna produktów rozszczepienia wynosi 175 MeV, - energia kinetyczna neutronów rozszczepienia wynosi 5 MeV, - energia promieniowania gamma emitowanego podczas rozszczepienia wynosi 7 MeV, - energia promieniowania beta i gamma, jak i pozostałych cząstek emitowanych podczas rozpadu produktów rozszczepienia promieniotwórczego wynosi 23 MeV.
Uczniowie pracują w małych grupach nad reakcjami rozszczepienia uranu.
Polecenie 1
Niektóre możliwe reakcje rozszczepienia prowadzące do różnych produktów przedstawiono poniżej. Sprawdź, ile neutronów powstaje w każdej reakcji. Nie zapomnij o zasadzie zachowania liczby masowej i liczby atomowej.
Odpowiedź:
Niektóre z neutronów uwolnionych podczas rozszczepienia mogą spowodować nowe procesy rozszczepienia. Część z nich bierze udział w innych procesach.
[Ilustracja 2]
Polecenie 2
Atom plutonu jest bombardowany neutronem i wytwarza atom strontu i cztery neutrony. W tej reakcji tworzy się drugi nuklid. Zidentyfikuj go i napisz odpowiednie równanie.
Odpowiedź:
Bar,
m56f29ce5ec3e99e8_1528450119332_0
Rozszczepienie jądrowe jest rodzajem reakcji jądrowej, w której jądro dzieli się na mniejsze fragmenty o mniejszej masie. W procesie tym uwalniana jest duża ilość energii.
Aby reakcja łańcuchowa zachodziła, należy dostarczyć energię większą od energii krytycznej (progowej) i niezbędna jest minimalna masa próbki, określana jako masa krytyczna, charakterystyczna dla danego pierwiastka.