Урок-конференция по физике на тему "Атомная энергетика и экологические проблемы". 11-й класс

Разделы: Физика


Цели урока:

На основе многочисленных достоверных фактов проанализировать и привести выводы по следующим вопросам:

  1. Существует ли опасность мирного атома?
  2. Опасна ли атомная энергетика?
  3. Загрязнение окружающей среды АЭС.
  4. Последствия Чернобыльской катастрофы.

Задачи урока:

  1. научить выяснять положительные и отрицательные стороны научных открытий и технологических достижений; продолжить формировать интерес к научным знаниям;
  2. закрепить, повторить и расширить знания учащихся по темам «Радиоактивность», «Атомная энергия и её использование»;
  3. выработать навыки работы с дополнительной литературой;
  4. показать возможные области применения атомной энергии;
  5. воспитывать гражданскую активность;
  6. учить грамотно и кратко излагать свои мысли, выступать на публику.

Оборудование: проектор, компьютер, презентация «Атомная энергетика и её экологические последствия».

Подготовка к уроку. За несколько дней сообщается тема и вид урока. К нему готовятся все. С помощью учителя они подбирается дополнительную литературу, готовится презентация, используя современную информацию и средства (диаграммы, графики, таблицы, материалы интерната и др.).

Ход урока

Организационный этап

Объяснение хода урока: ребятам раздаётся лист участника конференции, прослушав докладчиков, учащиеся должны заполнить таблицу, которую в конце урока сдают учителю и получают оценку. Лист участника конференции.

Фамилия, имя участника:
Применение атомной энергетики Преимущества атомных электростанций Экологические проблемы, связанные с АЭС Перспективы «утоления энергетического голода»
       

Основной этап

План: 

  1. Развитие ядерной энергетики.
  2. Последствия аварий на атомных электростанциях.
  3. Радиоактивные отходы - современные проблемы.
  4. Перспективы развития энергетики.

Учитель: (Слайд 1-3) Энергетика – эта отрасль промышленности и народного хозяйства, занимающаяся получением, передачей, преобразованием и рациональным использованием энергии. От нее зависит состояние экономики любой страны. Сегодня проблема энергоснабжения стала одной из приоритетных. История природы и история человечества неразрывно связаны и влияют друг на друга. Люди всегда относились к природе прагматически. Именно этот подход привёл к тому, что во второй половине, а особенно к концу XX в. произошли глобальные изменения, которые сделали реальной угрозу самоуничтожения человечества. Одно на них - овладение атомной анергией. Сегодня мы постараемся обсудить положительные и отрицательные стороны её применения. С чего всё начиналось?

Ученик: В 1896г. Беккерель открыл явление, названное радиоактивностью. (Слайд 4) Установлено, что легкие и тяжёлые ядра обладают минимальной удельной энергией связи нуклонов в ядре (водород и уран-238). При синтезе и расщеплении именно этих ядер выделяется максимальная энергия. Нестабильными радиоактивными являются тяжёлые ядра с зарядовым числом Z >83 или массовым числом А >209, которые могут спонтанно распадаться. Причиной распада является нарушение баланса между числом Z протонов и числом N нейтронов в ядре.(Слайд 5-6)

(Слайд 7) При нарушении требуемого баланса ядро обладает избыточной энергией, избавиться от которой оно может в результате перехода в состояние с меньшей энергией. Ядра, содержащие избыточное число протонов, освобождаются от этого избытка в результате альфа – распада. Ядра, содержащие избыточное число нейтронов,

уменьшают их число в результате бета – распада. А также переходы атомных ядер из возбуждённых состояний в основное состояние сопровождаются испусканием гамма – квантов – высокочастотное электромагнитное излучение. Все распады и превращения сопровождаются выделением большого количества энергии.

Ученик: Закон радиоактивного распада. (Слайд 8)

Ученик: (Слайд 9-10) Учёными было замечено превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами или квантами. Которые в последствии были названы ядерными реакциями. Ядерные реакции осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц, которыми облучают более тяжелые ядра. Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919г. (Слайд 11) Процесс деления ядра на два или три осколка с испусканием двух - трёх нейтронов может продолжаться сам собою. Вовлекая всё большее число новых ядер. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией. Замечено, что необходимое условие цепной ядерной реакции – коэффициент размножения нейтронов k > 1. В 1938г. немецкие учёные Отто Ган и Франц Штрассман наблюдали деление ядер урана-235 под действием внешнего воздействия – медленных нейтронов. При делении одного ядра урана выделяется энергии примерно 200 МэВ. При делении 1 кг ядер урана выделяется примерно 8*1013Дж. Это в 2,5 млн. раз больше, чем при сжигании 1кг каменного угля. (Слайд 12) Перед учёными встал вопрос: «Как ядерную энергию поставить на службу человечества?» И он был вскоре решён.

  • В 30-е годы нашего столетия известный ученый И.В. Курчатов работал по вопросам атомной техники в интересах народного хозяйства страны.
  • В 1946 г. в России был сооружен и запущен первый на Европейско-Азиатском континенте ядерный реактор.
  • Создается уранодобывающая промышленность.
  • Организованное производство ядерного горючего – урана-235 и плутония-239, налажен выпуск радиоактивных изотопов.

Ученик: (Слайд 13-14) Ядерный реактор. Ядерное топливо (уран) располагается в активной зоне в виде вертикальных стержней 1, называемых тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). Число ТВЭЛов определяет максимальную мощность реактора. В активной зоне реактора может находиться до 90 000 ТВЭЛов. Как мы уже отмечали, наиболее эффективное деление ядер урана-235 происходит под действием медленных нейтронов. Вторичные нейтроны, образующиеся в результате реакции деления, являются быстрыми. Для того чтобы их последующее взаимодействие с ядрами урана в цепной реакции было наиболее эффективно, их замедляют, вводя в активную зону замедлитель 2 — вещество, уменьшающее кинетическую энергию нейтронов. В качестве замедлителя часто используется обычная (Н2О) и тяжелая(D 2О) вода. Хорошим замедлителем считается также графит, ядра кого ого не поглощают нейтронов. Для уменьшения утечки нейтронов и увеличения коэффициента размножения активную зону окружают отражателем нейтронов 3 — оболочкой, отражающей нейтроны внутрь зоны. Управление скоростью цепной реакции осуществляется с помощью передвижения в активной зоне регулирующих стержней 4. Стержни изготавливают из материалов, сильно поглощающих нейтроны (кадмий, карбид бора). При увеличении глубины погружения регулирующих стержней в активную зону число поглощаемых нейтронов возрастает, вследствие чего цепная реакция ослабевает. При полностью погруженных в активную зону стержнях цепная реакция должна прекратиться. Реактор начинает работать тогда, когда регулирующие стрежни выдвинуты настолько, что коэффициент размножения нейтронов оказывается равным единице. Для защиты персонала, обслуживающего ядерный реактор, от мощного потока нейтронов и γ -квантов, возникающих при делении ядер и бета-распадах осколков реакции, предусмотрена радиационная защита 5. Вкачестве радиационной защиты используется бетон с железным заполнителем и соединениями бора. Ядерные реакторы нашли применение в силовых установках кораблей и подводных лодок. Ядерные реакторы используются для производства искусственных радиоактивных изотопов, для научных исследований и в медицинских исследованиях.

Ученик: (Слайд 15) С конца 1960-х годов начинается бум ядерной энергетики.

АЭС являются наиболее современным видом электростанций, они имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций. Об экономичности и эффективности атомных электростанций может говорить тот факт, что из 1кг урана можно получить столько же теплоты, сколько при сжигании примерно 3000 т каменного угля. (Слайд 16-17) АЭС практически не загрязняют среду, так как не выбрасывают миллионы тонн отходов в идее золы, которые окружают современные электростанции, работающие на угле; они не дают выбросов оксидов серы и азота, угарного и углекислого газов, присущих ТЭС.

Энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и другие) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и другие). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. АЭС строятся с многократными дублирующими системами защиты.

Учитель: Ввод АЭС по странам. (Слайд 18)

Ученик: Схема АЭС (Слайд 19)

Учитель: (Слайды 20-22)

Ученик:(Слайд 23-27)В результате аварии на Чернобыле от радиации и психологического стресса пострадали сотни тысяч людей. В результате взрыва четвертого блока ЧАЭС в окружающую среду попало около 7,4 тонн радиоактивного вещества. В первые недели основную опасность для населения представляло внешнее Гамма-излучение и наличие изотопа йода-131 в атмосфере. Кроме йода, в пробах были обнаружены изотопы бария, лантана, цезия, церия, рутения, циркония, теллура, церия, нептуния; а в ближайшей зоне, например, в зоне отселения – изотопы стронция, плутония. В первое время наиболее опасным для человека, особенно для детей, было поступление в организм йода-131 с молоком и через органы дыхания.

Ученик: Союзный Госкоматом еще в 1987 году сравнил катастрофу на Припяти со взрывом 300 хиросимских бомб. Иностранные специалисты назвали другую цифру – 800 бомб. Не стоит спорить, кто из них прав. Очевидно одно: сотни видов изотопов были выброшены в воздух, окропили землю, отравили воду на огромных территориях. Согласно выводам и рекомендациям экспертов причинами аварии служили: недостатки конструкции активной зоны реактора и в конструкции системы остановки реактора.

Радиоактивное загрязнение местности вокруг станции привело к необходимости эвакуации 116 тыс. жителей из 186 населенных пунктов.

Большие дозы облучения отдельных органов были обусловлены действием радиоактивного йода-131: из 1,5 млн. человек, проживавших в зоне радиоактивного загрязнения, порядка 1,2 млн. взрослого населения получило дозу внутреннего облучения щитовидной железы до 30 бэр; 150 тысяч человек – от 30 до 100 бэр; около 30 тысяч – более 100 бэр.

Ученик: Последствия ЧАЭС. Радиационное воздействие на людей определялось в основном радиационным облаком, гамма-излучением загрязненной осадками поверхности земли и растительности, а также радионуклидами, попавшими в органы дыхания и пищеварительную систему. Более высокими были дозы облучения щитовидной железы у детей. Первым видом ракового заболевания, распространение которого началось через пять лет после Чернобыльской аварии, был рак щитовидной железы. Причина – большое количество в воздухе, в еде, в молоке коров радиоактивного йода, который попадал в организм человека и накапливался именно в щитовидной железе. Следующим видом рака, латентный период которого закончился через десять лет после аварии, стал лейкоз, возникновение которого связано с нарушением функций самого чувствительного к радиации органа – костного мозга. Медики предсказывают рост и других видов раковых заболеваний: рака молочных желез и легкого, желудка и кишечника. Не менее страшные последствия имеет облучение для продолжения человеческого рода.

Радиация может поразить сердце, печень, кровь человека, мозг. «Чернобыльское слабоумие» проявилось не только у ликвидаторов, работавших на станции, но и у людей, никогда не бывших в радиационной зоне отчуждения. Эта болезнь поразила и взрослых, и детей, рожденных даже годы спустя после катастрофы.

Чернобыль ударил и по малышам, родившимся годы спустя после аварии. Он догнал детей, появившихся в семьях ликвидаторов. Кроме психических отклонений, полной невозможности нормально учиться и неумения пользоваться своим интеллектом, радиация «одарила» малышей повышенной раздражительностью, их мучают головные боли. Они часто отключаются на несколько секунд, а потом как ни в чем не бывало продолжают свои игры. Механизмы проявления этих признаков эпилептизации мозга ученым неизвестны.

В зону обязательного отчуждения наиболее пострадавшей от чернобыльской аварии входит и Полесский экологический радиационный заповедник.

Хотя он простирается в соседнем государстве – Белоруссии, с Ясевой горы возле деревни Масаны непосредственно рассматриваются Чернобыльский саркофаг, действующая АЭС и безжизненные пустые многоэтажки г. Припяти невооруженным глазом.

Ученик: Считается, что при радиационном уровне свыше 15 Кюри на квадратный километр жизнь человека невозможна. Территория заповедника заражена от 15 до 1200 Кюри на квадратный километр, причем это совсем не та радиация, которая поразила жителей гг. Хиросимы и Нагасаки. В богатых пойменных лугах, лесных массивах, заброшенных деревнях зловеще притаились долгоживущие радионуклиды – стронций, цезий, плутоний. Жизнь сюда не вернется ни через 100, ни через 500, а на отдельных участках заповедника – ни через 1000 лет.

После Хиросимы Чернобыль стал первой крупной мировой ядерной катастрофой. Отрицательное влияние на человека больших доз радиации проявляется в мутации в хромосомах, которые являются наиболее чувствительной к радиации частью клетки. Мутации, в свою очередь, приводят к различным нарушениям живого организма. К ним относятся рак и наследственные нарушения.

Данные медицинских специалистов означают, что в первом поколении – двадцать лет спустя после Чернобыльской аварии – каждые три дня в Белоруссии, России и на Украине рождается больной ребенок, потому, что его отец или мать были облучены. Если дети облученных родителей, больные или здоровые, будут жить на загрязненных территориях и в течении своей жизни получат дополнительный к естественному уровень облучения, то у их детей будет еще больший риск наследственных заболеваний.

Авария реактора Чернобыльской АЭС ярко высветила значимость проблемы не только в практическом, но и в методологическом отношении.

Ученик: Чем сегодня опасен Чернобыль?

Из 2044 км2 зоны отчуждения большая часть – 1856км2 – загрязнена радиоактивным цезием, стронцием, плутонием. Территория вокруг ЧАЭС загрязнена и трансурановыми элементами, период полураспада которых около 300 лет, а полный распад плутония наступит через 24 000 лет.

Построенный над четвертым энергоблоком «на скорую руку» саркофаг требует постоянного наблюдения и дополнительных мер защиты. (Весной 1995 года, например, он «запылил» - стал трескаться, появилась угроза его разрушения. Очень опасны чернобыльские могильники. У многих из них нет защитных барьеров; траншеи просто засыпаны метровым слоем грунта. К тому же нет точных сведений, где, что и каких количествах захоронено, каковы физические и химические свойства спрятанных там радиоактивных материалов, а это затрудняет их надежную изоляцию. Весной в этих местах активно идут грунтовые воды, и это создает дополнительную опасность утечки радиации и просачивания ее в ручьи и реки.

Ученик: Главные задачи:

  1. Создать надежную защиту над четвертым энергоблоком;
  2. Поддерживать в порядке старые могильники;
  3. Создать новые временные кладбища техники, которая «набрала» предельные дозы облучения и стала опасна; сейчас технику эту закапывают в траншеи на 20 -30 лет, а потом будут выкапывать, перерабатывать и компоновать, уплотняя в плотные блоки, чтобы еще раз захоронить, но уже более надежно;
  4. Продолжить дезактивацию и «отмывание» территории и всех объектов от радиации, которые ведутся все эти годы.

Ученик: Радиоактивные отходы - современные проблемы. (Слайд 28-31) Ядерная энергетика, широко используемая дала нашей стране много радиоактивных отходов; в основном это отработанное ядерное топливо реакторов АЭС и подводных лодок, а также надводных кораблей Военно-Морского Флота. Эти отходы накапливаются лавинообразно. К 2000 году накопилось 300тонн только от списанных атомных подводных лодок. Они представляют «чрезвычайную радиационную опасность для обширных районов России и сопредельных стран». Отработанные ТВЭЛЫ хранятся в жидком виде в цистернах из нержавеющей стали, окружённые бетоном. Наиболее активные отходы остекловывают и хранят в глубоких шахтах под землёй.

Несколько отечественных физико-технических институтов разработали проект их захоронения, в основу которого положены подземные ядерные взрывы.

В настоящее время у нас в стране перерабатывается только 30% радиоактивного топлива на единственном заводе в г. Челябинске-40, производительность завода 3000 т/год. А основной объем отходов лежит «мертвым», но опасным грузом в контейнерах на АЭС; переполнены отходами хранилища морского флота; более 600 тонн радиоактивного «мусора» осталось не выгруженным из реакторов списанных атомных подводных лодок.

Ученик: (Слайд 32) Однако опасность ядерной энергетики лежит не только в сфере аварий и катастроф. Даже без них около 250 радиоактивных изотопов попадают в окружающую среду в результате работы ядерных реакторов. Среди них:

  • Криптон-85. сейчас количество криптона-85 в атмосфере в миллионы раз выше, чем до начала атомной эры. Этот газ в атмосфере ведет себя как тепличный газ.
  • Тритий или радиоактивный водород. Загрязнение грунтовых вод происходит практически вокруг всех АЭС.
  • Углерод-14.
  • Плутоний. На Земле было не более 50 кг этого сверх токсичного элемента до начала его производства человеком в 1941 году.
  • На 424 гражданских ядерных энергетических реакторах, работающих во всем мире, ежегодно образуется большое количество низко-, средне- и высокорадиоактивных отходов. К этой проблеме отходов прямо примыкает проблема вывода выработавших свой ресурс реакторов.

Ученик: Техника и технология нынешнего времени, основанные на новейших достижениях науки, требуют особого, бдительного отношения к себе. Прежде чем их создавать и использовать, нужно просчитать и предвидеть последствия, причем во множестве аспектов (а не в одном!). И если последствия неизвестны, то требуется сначала их обнаружение, тщательное и всестороннее исследования. Спешка, не владение всем комплексом информации недопустимы. Ведь создаваемые или внедряемые без такого учета технические установки, будь они мирного назначения или военного, а также производственные линии могут оказать вредное воздействие на Природу, Человека – его здоровье, психическое состояние, генофонд.

Ученик: (Слайд 33)Сегодня каждый должен отчетливо понимать опасность, которая исходит от техники при бездумном, неграмотном или безнравственном отношении с нею.

Учитель: Перспективы развития энергетики. (Слайд 34-35) Ветряные, геотермальные, солнечные электростанции. – Сообщения учащихся.

Итоги конференции подводит учитель вместе с учениками: Преимущества АЭС; проблемы и задачи.

Заключительное слово учителя.

12.07.2014