Scenariusz

Temat

Reakcja łańcuchowa

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:

9) opisuje reakcję rozszczepienia jądra uranu ${}^{235}U$ zachodzącą w wyniku pochłonięcia neutronu; podaje warunki zajścia reakcji łańcuchowej.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisuje reakcję rozszczepienia jądra uranu ${}^{235}U$ zachodzącą w wyniku pochłonięcia neutronu.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Wymienia warunki wymagane do zajścia reakcji łańcuchowej.

2. Zapisuje równanie reakcji jądrowej opisujące procesy rozszczepienia.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- opisuje proces rozszczepienia uranu ${}^{235}U$ ,

- objaśnia warunki wymagane do wystąpienia rozszczepienia.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Nauczyciel prosi uczniów o przypomnienie wiadomości na temat reakcji jądrowych.

Czym jest reakcja jądrowa? Jakie prawa zachowania należy uwględnić, pisząc równanie reakcji?

Realizacja lekcji

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 ${}^{235}U$ i pluton ${}^{239}{Pu}$ .

Rozszczepienie jądrowe w reakcji łańcuchowej 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 wymuszonego 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 (EIndeks dolny c) 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 izotopu.

Rozszczepienie uranu:
Uran jest najpowszechniej stosowanym paliwem do rozszczepienia jądrowego. Elektrownie jądrowe wykorzystują uran wzbogacony w izotop ${}^{235}U$ jako paliwo. Izotop ten, w przeciwieństwie do bardziej powszechnego uranu ${}^{238}U$ , może ulegać rozszczepieniu.
Rozszczepienie uranu ${}^{235}U$ jest wyzwalane przez absorpcję poruszającego się neutronu o niskiej energii (poniżej 10 eV) zwanego neutronem powolnym (termicznym), po czym powstaje niestabilny izotop ${}^{236}U$ . 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 ${}^{235}U$ :

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to {}_{92}^{236}U * \to {}_{36}^{89}K r + {}_{56}^{144}B a + 3 {}_{0}^{1}n

przedstawiono schematycznie na poniższym rysunku.

[Ilustracja 1]

W uranie ${}^{235}U$ 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 ${}^{235}U$ 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 podczas rozpadu produktów rozszczepienia promieniotwórczego wynosi 23 MeV,
- energia neutrin wynosi 10 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.

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to {}_{92}^{236}U \to {}_{38}^{90}S r + {}_{54}^{144}X e + ... {}_{0}^{1}n

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to {}_{92}^{236}U \to {}_{35}^{87}B r + {}_{57}^{146}L a + ... {}_{0}^{1}n

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to {}_{92}^{236}U \to {}_{37}^{96}R b + {}_{55}^{137}C s + ... {}_{0}^{1}n

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to {}_{92}^{236}U \to {}_{52}^{137}T e + {}_{40}^{97}Z r + ... {}_{0}^{1}n

Odpowiedź:

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to {}_{92}^{236}U \to {}_{38}^{90}S r + {}_{54}^{144}X e + 2 {}_{0}^{1}n

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to {}_{92}^{236}U \to {}_{35}^{87}B r + {}_{57}^{146}L a + 3 {}_{0}^{1}n

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to {}_{92}^{236}U \to {}_{37}^{96}R b + {}_{55}^{137}C s + 3 {}_{0}^{1}n

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to {}_{92}^{236}U \to {}_{52}^{137}T e + {}_{40}^{97}Z r + 2 {}_{0}^{1}n

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 ${}^{239}{Pu}$ jest bombardowany neutronem i wytwarza atom strontu ${}^{96}{Sr}$ i cztery neutrony. W tej reakcji tworzy się drugi nuklid. Zidentyfikuj go i napisz odpowiednie równanie.

Odpowiedź:

Bar, ${}_{56}^{140}B a$

${}_{94}^{239}{Pu} + {}_{0}^{1}n \to {}_{38}^{96}S r + {}_{56}^{140}B a + 4 {}_{0}^{1}n$

Podsumowanie lekcji

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 izotopu.

Chain reaction

Lesson plan

Temat

Etapy lekcji