Základní škola národního umělce Petra Bezruče, Frýdek-Místek, tř. T. G. Masaryka 454
Zpracováno v rámci OP VK - EU peníze školám Jednička ve vzdělávání CZ.1.07/1.4.00/21.2759
Název DUM: Jaderná energie
Název sady DUM Energie
Číslo DUM VY_32_INOVACE_14_S1-19
Vzdělávací oblast Člověk a příroda
Vzdělávací obor Fyzika
Ročník 9.
Autor, datum vytvoření Mgr. Zbyněk Šostý, 2012
Doporučené ICT a pomůcky Dataprojektor, PC, popř. interakt. tabule
Anotace:
DUM obsahuje základní pojmy z problematiky jaderné energie a to včetně jejich následného vysvětlení.
Základní škola národního umělce Petra Bezruče, Frýdek-Místek, tř. T. G. Masaryka 454
Zpracováno v rámci OP VK - EU peníze školám Jednička ve vzdělávání CZ.1.07/1.4.00/21.2759
Doporučení:
DUM lze využít např. pro opakování daných pojmů s následným rozšířením informací. Obsahem jsou také otázky, které je možno zadat formou písemného opakování.
Jaderné reakce
Jaderná reakce
První jaderná reakce
Jaderná energie
Reakce jaderného slučování
Řetězová jaderná reakce
Plazma
Jaderný reaktor
Jaderná energetika
Kritická hmotnost
Jad. reaktor-moderátor
Jaderná elektrárna
• Jaderná reakce je přeměna atomových jader, která může probíhat samovolně nebo být vyvolaná působením jiného jádra nebo částice.
• Při jaderných reakcích dochází k energetickým přeměnám.
• Nukleony jsou vázány velkými silami → při reakci dochází k uvolnění velké energie.
Jaderná reakce
Roku 1919 dokázal jako první na světě transmutovat jeden chemický prvek na jiný. Podařilo se mu jadernou reakcí dusíku s alfa částicí přetvořit dusík na kyslík.
7N14 + 2He4 → 8O17 + 1p1
První jaderná reakce
Ernest Rutherford.jpg
Jaderná energie je energie, která existuje a uvolňuje se z jaderných reakcí v atomovém jádře. Je označována také jako atomová energie.
235U – využití elektrárny i zbraně
• Jako jaderné palivo se dá v tzv. těžkovodních reaktorech využít rovněž přírodní uran, je to však mnohem náročnější, proto se tato možnost zatím v praxi příliš nevyužívá.
• Z izotopu 238U se v rychlých množivých reaktorech dá vyrábět plutonium, zejména štěpitelný izotop 239Pu. Tento postup se však zatím příliš nepoužívá kvůli vysokým investičním nákladům a vyšší technologické náročnosti.
• Štěpitelný je rovněž izotop 233U, který lze množit z thoria.
Jaderná energie
Aby mohla proběhnout řetězová reakce, musí mít štěpný materiál kritickou hmotnost.
Příklady kritické hmotnosti pro různé štěpné materiály:
• uran 235U
kritická hmotnost čistého materiálu pro kulové uspořádání je 48kg, tato koule by měla průměr asi 18cm.
• uran 233U
kritická hmotnost čistého materiálu pro kulové uspořádání je 16kg, tato koule by měla průměr asi 12cm.
Kritická hmotnost
• Štěpná jaderná reakce je jaderná reakce, při níž dochází k rozbití jádra nestabilního atomu vniknutím cizí částice (většinou neutronu) za uvolnění energie.
• Ke štěpné jaderné reakci dochází u těžkých atomových jader (např. 235U) při jejich ostřelování neutrony.
• Při rozštěpení jádra uranu se rovněž uvolní dva až tři rychlé neutrony.
Řetězová jaderná reakce
Štěpná reakce neutron rozštěpí jádro uranu, z něho se uvolní další tři neutrony, které štěpí další jádra uranu; zároveň se uvolní energie
• Termonukleární reakce či termojaderná fúze je proces, při kterém dochází ke sloučení atomových jader (jaderné fúzi) za pomoci vysoké teploty či tlaku.
• Daný děj probíhá ve středu Slunce.
• Ve snaze zvládnout jadernou fúzi řízeně a následně ji použít jako zdroj energie byla vyvinuta celá řada postupů a zařízení. Klíčovým problémem je, že pro dosažení fúze je třeba ohromné teploty.
Reakce jaderného slučování – termojaderné reakce
• Plazma je ionizovaný plyn složený z iontů, elektronů
(a případně neutrálních atomů a molekul).
• Plazma je čtvrté skupenství hmoty.
Plazma Plazmová vlákna na Slunci
Skládá se obvykle z:
• jaderného reaktoru,
• parní turbíny
• alternátorem a z mnoha dalších pomocných provozů.
V principu se jedná o parní elektrárnu, ve které se energie získaná jaderným reaktorem používá k výrobě páry v parogenerátoru.
Tato pára pohání parní turbíny, které pohání alternátory pro výrobu elektrické energie.
Jaderná elektrárna
Schéma nejběžnějšího typu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem
1.Reaktorová hala, uzavřená v
nepropustném kontejnmentu.
2.Chladicí věž.
3.Tlakovodní reaktor.
4.Řídící tyče.
5.Kompenzátor objemu.
6.Parogenerátor. V něm horká voda
pod vysokým tlakem vyrábí páru v
sekundárním okruhu.
7.Aktivní zóna.
8.Turbína - vysokotlaký a nízkotlaký
stupeň.
9.Elektrický generátor.
10.Transformační stanice.
11.Kondenzátor sekundárního okruhu.
12.Plynný stav
13.Kapalný stav
14.Přívod vzduchu do chladicí věže.
15.Odvod teplého vzduchu a páry
komínovým efektem.
16.Řeka
17.Chladící okruh
18.Primární okruh (voda pouze
kapalná pod vysokým tlakem).
19.Sekundární okruh (červeně
značena pára, modře voda).
20.Oblaka vzniklá kondenzací
vypařené chladicí vody.
21.Pumpa
• Jaderný reaktor je zařízení, ve kterém probíhá řetězová jaderná reakce, kterou lze kontrolovat a udržovat ve stabilním běhu (na rozdíl od jaderné exploze).
• V současné době ve všech běžně užívaných reaktorech je reakce založena na štěpení jader.
• Existují však i experimentální reaktory založené na jejich syntéze.
Jaderný reaktor
Tlakovodní reaktor
• Tlakovodní reaktor je označení pro jaderný reaktor, v němž tvoří chladivo i moderátor voda.
• Tímto typem reaktoru je vybavena většina současných jaderných elektráren.
Používají se také na lodích a jaderných ponorkách.
• V jaderných elektrárnách se používá mnoho konstrukčně rozdílných druhů reaktorů. Lze je rozdělit podle užívaného moderátoru neutronového toku a chladiva.
• Moderátor neutronů je látka sloužící ke zpomalování neutronů.
• K účelům moderování se používá nejčastěji voda (obvykle spojená i s funkcí chladicí), těžká voda nebo grafit, případně i jiné vhodné látky. V ČR se používá voda - v Dukovanech i Temelíně.
Jaderný reaktor - moderátor
• Nejvýznamnějším využitím jaderné energie je výroba elektrické energie v jaderných elektrárnách.
• Jaderné zdroje mají nyní přibližně 17% podíl na světové výrobě elektřiny a přibližně 7% podíl na spotřebě energie celkově.
Více info
Info z Wiki
Jaderná energetika
1. Co jsou jaderné síly a jaké mají vlastnosti.
2. Jak vzniká jaderná energie?
3. Kdo dokázal přeměnit jeden chemický prvek na jiný? O jaké prvky se jednalo?
4. Co to jsou štěpné materiály?
5. Které štěpné prvky se používají pro jaderné reakce?
K procvičení
6. Co je to kritická hmotnost?
7. Co je to plazma? Jak vzniká?
8. Co je to termojaderná reakce?
9. Co je to moderátor v jaderném reaktoru?
10. Popiš princip činnosti jaderné elektrárny.
K procvičení
Informace a ukázky z učivo - atomové jádro
Zdroje dalších informací
Slide 5
Ernest Rutherford.jpg. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2010-03-10 [cit. 2013-01-14]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Ernest_Rutherford.jpg
Slide 8
Nuclear fission.svg. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2010-05-03 [cit. 2013-01-14]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Nuclear_fission.svg
Slide 10
Kernzerfall.svg. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2010-02-06 [cit. 2013-01-14]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Kernzerfall.svg
Slide 11
HINODE JAXA/NASA. 171879main LimbFlareJan12 lg.jpg. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2007-03-22 [cit. 2013-01-14]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:171879main_LimbFlareJan12_lg.jpg
Slide 13
KUNTOFF, Steffen. Nuclear power plant-pressurized water reactor-PWR.png. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2005-10-02 [cit. 2013-01-14]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Nuclear_power_plant-pressurized_water_reactor-PWR.png
Slide 15
U.S.NRC. PressurizedWaterReactor.gif. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2007-06-29 [cit. 2013-01-14]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:PressurizedWaterReactor.gif
Zdroje informací
