FISIUNEA NUCLEARĂ. REACTORUL
NUCLEAR
Profesor: CARP LILIANA
Liceul Teoretic „Lascăr Rosetti”
Răducăneni, Iași
P R O I E C T D I D A C T I C
DISCIPLINA : Fizică
CLASA: a XII-a
Unitatea de învățare: Fizica nucleară
Titlul lecţiei:: FISIUNEA NUCLEARĂ. REACTORUL NUCLEAR
Tipul lecţiei: predare - învăţare-evaluare/ formare de priceperi si deprinderi
Competente cadru:
1. Înţelegerea şi explicarea unor fenomene fizice;
2. Investigaţia ştiinţifică experimentală(virtuala) şi teoretică aplicată în fizică;
3.Comunicarea-folosirea terminologiei specifice fizicii, elemente de matematică aplicată în fizica.
Competențe specifice
Modelarea fisiunii nucleare și a reacției în lanț (calitativ și cantitativ pentru energia totală
eliberată);
Descrierea construcției și funcționării reactorului nuclear și a armei nucleare de fisiune (aspecte
generale);
Estimarea posibilelor efecte ale accidentelor nucleare, respectiv ale utilizării armamentului
nuclear de fisiune;
Aprecierea critică a impactului utilizării tehnologiilor nucleare asupra societății și naturii.
Obiective operaţionale:
să definească reacția de fisiune nucleară;
să diferențieze printr-un element reacția de fisiune de reacția de fisiune în lanț;
să precizeze condițiile necesare autoîntreținerii reacției de fisiune într-un reactor nuclear;
să enumere 5 componente ale unui reactor nuclear pe baza materialelor puse la dispoziție;
să argumenteze rolul a două componente în funcționarea reactorului;
să exprime în minim 3 imagini consecințele unui accident nuclear;
să descrie managementul deşeurilor nucleare;
să justifice prin minim două argumente necesitatea utilizării energiei nucleare;
să identifice două motive pentru care energia nucleară este considerată poluantă.
Metode şi procedee: observația, descrierea, conversaţia euristică, explicaţia, activitatea individuală,
simularea pe calculator, exerciţiul, rezolvarea de probleme, dialogul, brainstormingul,vizionarea
prezentare ppt.
Resurse :
1. materiale: rețea de calculatoare ,prezentare ppt, soft educațional;
2. umane: clasă omogenă, de nivel mediu, cu anumite cunoştinţe ce necesită consolidare;
3. de timp 2 h.
Aptitudini şi capacităţi obligatorii elevilor:
• abilităţi de utilizare a calculatorului;
• navigare pe internet;
• operare Word, Excel, PowerPoint.
S c e n a r i u d i d a c t i c
I.Moment organizatoric
verificarea prezenţei elevilor
aranjarea elevilor în laborator
conectarea elevilor la calculatoare
II. Verificarea cunoştinţelor anterioare
Frontal se vor verifica cunoştinţele referitoare la evidențierea stabilității diferitelor nuclee în funcție
de structura acestora și energia de legătură pe nucleon.
II.1.Anunţarea temei noi
Se proiectează pe ecranul calculatoarelor întrebarea esenţială: Cum influenţează ştiinţa mediul
şi viaţa?
II.2.Asalt de idei. Se notează răspunsurile pe tablă. Elevii notează pe caiet formând un ciorchine.
Se anunță apoi temele ce vor fi studiate :
1. Fisiunea nucleară
2. Reactorul nuclear
și obiectivele urmărite pe parcursul lecției.
II.3.Prezentarea noului conţinut – conducerea învăţării
1.Provocarea: se solicită elevilor să observe cu atenţie distribuţia procentuală a de surselor de
energie electrică din anul 2013 la nivel mondial și la nivelul țării noastre , să analizeze cu atenţie
comparaţia prezentată și să stabilească care sunt sursele de energie electrică cele mai utilizate la nivel
mondial și național.
Carbuni42%
Hidroenergie7%
Energie nucleară
21%
Gaz29%
Petrol 1%
Altele gaze0%
Resurse energetice mondiale
Elevii constată că, în 2013, cele mai utilizate resurse pentru producerea energiei electrice atât la
nivel mondial,cât și la nivelul țării noastre sunt:
La nivel mondial La nivel național
Cărbuni – 42 % Cărbuni – 27 %
Gaz – 29 % Hidroenergie – 27 %
Energie nucleară – 21 % Energie nucleară – 20 %
Se constată că locul trei este ocupat de energia nucleară.
2.Se analizează graficul energiei de legătură pe nucleon funcție de numărul de nucleoni. Elevii
trebuie să constate că nucleele cu număr mare de nucleoni, localizate la sfârşitul tabelului periodic au
energia de legătură pe nucleon mai mică decât cele din centrul său.
De aici rezultă că nucleele ,,grele” au tendința de a se rupe în fragmente „medii” pentru a-și mări
valoarea energiei de legătură pe nucleon. De exemplu, un nucleu de U235
92 care are energia de legătură
pe nucleon egală cu 7,6 MeV se poate descompune , sub acțiunea unui neutron lent, într-un nucleu
de Ba144
56 cu energia de legătură pe nucleon egală cu 8,3 MeV și un nucleu de Kr89
36 cu energia de
legătură pe nucleon egală cu 8,8 MeV.
3.Se definește fisiunea nucleară: Fisiunea nucleara este procesul în care nucleul unui atom se
scindează în două sau mai multe nuclee mai mici, numite produși de fisiune și, în mod uzual, un
număr oarecare de particule individuale.
Se face precizarea: particulele elementare pot fi neutroni, fotoni (uzual sub formă de raze gamma)
și alte fragmente nucleare cum ar fi particulele beta și particulele alfa.
Clasificare:
Fisiunea nucleară poate fi:
naturală (care este un proces spontan)
stimulată (declanşată prin bombardarea cu neutroni a unui nucleu stabil şi greu).
Scurt istoric:
Lise Meitner (1878 – 1968) a demonstrat că atomii grei pot fi scindați în atomi mai ușori – proces
pe care ea l-a numit ,,fisiune nucleară”
O.Hann, F. Strassmann au lucrat alături de Liese Meitner şi au descoperit fisiunea stimulată a
nucleelor de uraniu sub acţiunea bombardamentului cu neutroni primind premiul Nobel pentru chimie în
anul 1944.
4.Se solicită elevilor să observe cu atenţie reacţia de fisiune nucleară folosind programul de
simulare Phet,
U235
92
EB = 7,6 MeV
Kr89
36
EB = 8,3MeV
Ba144
56
EB = 8,8 MeV
apoi se discută asupra variației energiei potențiale și a energiei totale a nucleului inițial și a produșilor de
fisiune funcție de distanța dintre nuclee.
Se face precizarea:În mod natural uraniul U-235 are nevoie de miliarde de ani pentru a se
descompune, astfel că este de dorit ca acest proces să fie cumva accelerat. Acest lucru se realizează
prin bombardarea uraniului cu neutroni la viteze mici. Uraniul U-235 absoarbe neutronii şi se transformă
în uraniu U-236. Apoi se descompune în kripton-89, bariu-144 şi 3 neutroni liberi.
4.Se fac calcule asupra energiei degajate în timpul unei reacții de fisiune:
Potrivit graficului care indică energiile de legătură pe nucleon, un nucleu de U235
92 are energia de
legătură egală cu 7,6 MeV pentru fiecare nucleon, de unde rezultă un total de 235 x 7,6 MeV = 1786
MeV, nucleul de Ba144
56 are = 144 x 8,3 MeV = 1195 MeV, iar Kr89
36 are 89 x 8,8 MeV = 783 MeV.
Neutronii suplimentari nu au asociată o energie de legătură. Astfel că, de fiecare dată când un nucleu
de uraniu fisionează se câștigă în jur de 192 MeV de energie!
Ba144
56
Kr89
36
Astfel, fisiunea nucleară este o reacție exotermică și poate să elibereze cantități mari de energie
sub formă de radiații gamma și energie cinetică a fragmentelor (încălzind volumul de material în care se
produce fisiunea).
Datorită energiei rezultate din reacție considerabile, reacția de fisiune stimulată prezintă o mare
importanță energetică. Fisiunea nucleară este folosită pentru a produce energie în centralele nucleare și
pentru producerea armelor nucleare.
Fisiunea este utilă ca sursă de energie deoarece unele materiale, numite combustibil nuclear , pe
de o parte generează neutroni care sunt inițiatorii unui proces de fisiune și, pe de altă parte , li se inițiază
fisiunea la impactul cu acești neutroni liberi. Combustibilii nucleari pot fi utilizați în reacțiile nucleare în
lanț, autoîntreținute, care eliberează energie în cantități controlate într-un reactor nuclear sau
necontrolate, foarte rapid, într-o armă nucleară.
5.Condiția care se impune este ca un proces de fisiune să se autoîntrețină; e poate fi îndeplinită
dacă se utilizează neutronii rezultați din procesul de fisiune ca inițiatorii unui nou proces de fisiune. O
astfel de reacție se numește reacție în lanț.
Elevilor li se recomandă să observe cu atenţie reacţia de fisiune nucleară în lanţ atât pe platforma
AeL (modulul M2 „Îmbogăţirea uraniului”) cât și în programul de simulare Phet .
O reacție nucleară în lanț apare atunci când cel puțin o reacție nucleară este cauzată de o reacție
nucleară anterioară, lucru care poate duce la creșterea exponențială a numărului de reacții.
Fazele unei reacții de fisiune în lanț sunt:
Un atom de U235
92 absoarbe un neutron și se sparge în doi atomi noi (fragmente de fisiune),
eliberând trei neutroni și o cantitate de energie;
Unul din neutroni este absorbit de un atom de U238
92 , al doilea se pierde în mediul înconjurător, iar
al treilea inițiază o nouă reacție de fisiune în urma căreia rezultă doi neutroni și o cantitate de
energie;
Acești neutroni ciocnesc fiecare câte un atom de U235
92 , se produc două reacții de fisiune în urma
cărora rezultă de la unu la trei neutroni ca vor continua reacția.
Se va verifica, urmărind simularea de pe platforma AeL (modulul M2 „Îmbogăţirea uraniului”),
care tip de neutroni (lenți (termici), rapizi sau de viteză medie) au cea mai mare probabilitate de
producere a unei reacții de fisiune.
Elevii constată că neutronii lenți au cea mai mare probabilitate de a fi absorbiți de către nuclee
fisionabile.
Se discută cu elevii condițiile care trebuie îndeplinite pentru a se produce o reacție în lanț:
Încetinirea neutronilor care rezultă din reacția de fisiune. Pentru aceasta se utilizează un
mediu numit moderator format din nuclee ușoare care preiau prin ciocniri o mare parte din
energia cinetică a neutronilor. Drept moderator se poate folosi: apa, apa grea, grafitul sau
beriliul.
Neutronii să nu se piardă prin alte procese care nu conduc la fisiune. De aceea trebuie
ca masa de combustibil să fie suficient de mare. Cantitatea de material fisionabil la care reacția
se întreține se numește masă critică.
Se analizează cu elevii condițiile de producere a reacției în lanț funcție da factorul de multiplicare
k, utilizând schema din prezentarea ppt.
6. Desfăşurarea controlată a unei reacţii de fisiune are loc într-un reactor nuclear. Enrico Fermi și
Leo Szilard, ambii de la University of Chicago, au fost primii care au construit o pilă nucleară și au
prezentat o reacție în lanț controlată, pe 2 Decembrie 1942, , în cadrul Proiectului Manhattan.
Se dă definiția:
Un reactor nuclear este o instalație tehnologică în care are loc o reacție de fisiune nucleară în lanț
în condiții controlate, astfel încât să poată fi valorificată căldura generată sau utilizate fascicolele
de neutroni.
Se prezintă elevilor aplicațiile reactoarelor nucleare (din prezentarea ppt)
:
Elevilor li se recomandă să observe cu atenţie reacţia de fisiune nucleară în lanţ ce se produce în
interiorul unui reactor nuclear în programul de simulare Phet .
7. Se solicită elevilor sa acceseze link-ul http://www.nuclearinst.com/Nuclear-Reactor-Simulator
pentru a putea identifica si discuta componentele unui reactor nuclear.
a) Combustibilul nuclear Reacția de fisiune în lanț are loc în combustibilul nuclear. Aproape toate
reactoarele nucleare utilizează uraniul drept combustibil. Reactoarele comerciale, cu câteva excepții,
utilizează uraniul îmbogățit 2-5% în izotopul U235. Unele reactoare utilizează un combustibil ce conține
pe lângă uranium și plutoniu MOX), un alt element fisionabil. Combustibilul și structura mecanică în care
este acesta așezat formează zona activă (inima) reactorului.
b) Moderatorul Moderatorul este necesar pentru încetinirea neutronilor rezultați din fisiune
(neutron termici) pentru a le crește eficiența de producere a unor noi reacții de fisiune. Moderatorul
trebuie să fie un element ușor care permite neutronilor să se ciocnească fără a fi capturați. Ca
moderatori se utilizează apa obișnuită, apa grea (deuterium) sau grafitul.
c) Agentul de răcire Pentru a menține temperatura combustibilului în limite tehnic acceptabile
(sub punctual de topire) căldura eliberată prin fisiune sau prin dezintegrarea radioactivă trebuie extrasă
din reactor cu ajutorul unui agent de răcire (apa obișnuită, apa grea, dioxid de carbon, heliu, metale
topite, etc). Căldura preluată și transferată de agentul de răcire poate alimenta o turbină pentru a genera
electricitate.
d) Barele de control Barele de control sunt realizate din material ce absorb neutronii precum:
borul, argintul, indiul, cadmiul si hafniul. Ele sunt introduse în reactor pentru a reduce numărul de
neutroni și a opri reacția de fisiune când este necesar, sau pentru a regla nivelul și distribuția spațială a
puterii din reactor.
e) Alte componente Unele reactoare au zona activă învelită cu un reflector care are scopul de a
returna neutronii ce părăsesc reactorul și a maximiza utilizarea lor eficientă. Adesea agentul de răcire
și/sau moderatorul au și rolul de reflector. Zona activă și reflectorul sunt dispuse în interiorul unui vas
rezistent la presiune (vasul reactorului).
Pentru reducerea nivelului radiațiilor produse prin fisiune, zona activă este înconjurată de ecrane
groase ce absorb radiațiile: beton, apă obișnuită, plumb, etc. Controlul și reglarea funcționării reactorului
se realizează cu ajutorul a numeroase instrumente și sisteme de suport logistic care monitorizează
(urmăresc) temperatura, presiunea, nivelul de radiație, nivelul de putere și alți parametri. În manta
neutronii produc și căldură care este evacuată cu o buclă de răcire cu apă și transferată unui schimbător
de căldură pentru a produce abur.
Aburul acționează o turbină producând electricitate.
Apoi elevii vor deschide aplicația de pe platforma AeL si vor identifica din nou componentele unui
reactor nuclear ( modulul M3 ,,Tipuri de reactoare”).
Apoi li se solicită rezolvarea evaluării de pe platformă nuclear ( modulul M3 ,,Tipuri de reactoare”):
În cadrul aceluiași modul elevii vor urmări și modul de funcţionare al reactorului de la Cernavodă.
Pentru a vizualiza modul în care se produce pornirea unui reactor nuclear, elevii vor deschide filmul:
Nuclear_Reactor_start_up,
iar pentru a vizualiza modul de funcționare a unui reactor aceștia vor deschide filmul:
How_a_Nuclear_Reactor_Works___IMechE.
In modulul M4 al lecției de pe platforma AeL ,,Controlul fisiunii nucleare în reactor” elevii vor
exersa virtual cum se controlează un reactor nuclear! Pentru aceasta, elevii trebuie să utilizeze controalele
indicate pentru a menţine controlul şi funcţionarea reactorului nuclear.
8. Apoi elevii vor accesa modulul M5 ,,Combustibilul nuclear” în care sunt prezentate noţiuni de bază
despre combustibilul nuclear.
Elevii trebuie urmărească și să explice modul de extragere a minereului de uraniu.
9. Elevii vor accesa apoi modulul M6 ,,Managementul deşeurilor radioactive” în care este prezentat
ciclul combustibilului nuclear.
Elevul va urmări etapele ciclului de combustibil nuclear prezentate în animaţie cu explicațiile aferente
fiecărei etape.
III. Feed – back-ul
Li se solicită elevilor să acceseze conturile de gmail create anterior și profesorul va trimite fiecărui
elev testul de evaluare.
Elevii vor avea la dispoziție 10 minute pentru a rezolva testul și a-l trimite profesorului.
După ce toți elevii trimit testul rezolvat, profesorul va comunica rezultatele insiste asupra noțiunilor
la care rezultatele la test sunt sub medie.
IV. Asigurarea retenţiei şi a transferului
Elevii să realizeze acasă un eseu de 2 pagini cu tema: „Energia nucleara vs energia
convențională”
Anexa 1
Test: Fisiunea nucleară. Reactorul nuclear
*Obligatoriu
1 *Cel mai utilizat tip de resursa energetica conventionala este:
Marcați un singur oval.
o Carbunii
o Petrolul
o Gazul natural
2 *Avantajele utilizarii energiei conventionale:
Marcați un singur oval.
o Randament foarte mare
o Resurse nelimitate
o Costul relativ mic
3 *Fisiunea nucleara este reactia de ...... a unui nucleu greu in doua sau mai multe ......care au
masa mai .........
Marcați un singur oval.
o rupere, nuclee, mare
o contopire, nuclee, mica
o rupere, nuclee, mica
o rupere, particule, mica
4 *Procesul de fisiune nucleara este un proces spontan, exoenergetic.
Bifați toate variantele aplicabile.
o Adevarat
o Fals
5 *Fisiunea nucleara conduce la:
Marcați un singur oval.
o aparitia unor fragmente mai usoare fara degajare de energie
o degajare mare de energie, masa fragmentelor fiind egala cu cea a nucleului care
fisioneaza
o obtinerea unor fragmente de fisiune a caror masa insumata este mai mica decat cea a
nucleului fisionat si care sunt si beta(-) radioactive
6 *Reacţia de fisiune se întreţine atunci cand cantitatea de material fisionabil este:
Marcați un singur oval.
o mai mare decat masa critica
o egala cu masa critica
o mai mica decat masa critica
7 *Energia la fisiunea nucleelor de uraniu:
Marcați un singur oval.
o este in intregime regasita sub forma de energie cinetica a fragmentelor
o poate fi calculata exact daca sunt cunoscute masele exacte ale fragmentelor si a
nucleului ce fisioneaza
o este mai mica decat 250 MeV/ fisiune
8 *Care este asemanarea dintre fisiunea spontana si cea indusa?
Marcați un singur oval.
o in ambele cazuri se emit neutroni
o este necesara o tunelare a barierei de fisiune in ambele cazuri
o nu exista nici o asemanare
9 *Reactoarele cu apa grea sub presiune sunt cele mai utilizate in intrega lume
Bifați toate variantele aplicabile.
o Adevarat
o Fals
10 *Reactoarele cu apa in fierbere nu se mai utilizeaza la ora actuala
Bifați toate variantele aplicabile.
o Adevarat
o Fals
11 *Majoritatea a reactorilor energetici in functie se bazeaza pe fisiunea U-235 pentru ca:
Marcați un singur oval.
o acesta este la fel de abundent ca si U- 238
o U -238fisioneaza si spontan
o sectiunea eficace de fisiune cu neutroni termici cu 235U este mult mai mare decat cea cu
neutroni rapizi cu U-238
12 *Controlul si reglarea puterii unui reactor nuclear
Marcați un singur oval.
o este posibila datorita existentei neutronilor intarziati
o se face intotdeauna folosind bare de bor
o este posibila datorita faptului ca moderatorul incetineste neutronii
13 *Materialele de moderare sunt destinate incetinirii neutronilor pana cand acestia ajung la
nivelul mediu al energiei cinetice a particuleleor din mediul inconjurator.
Bifați toate variantele aplicabile.
o Adevarat
o Fals
14 *PWR utilizeaza combustibil capsulat, vase sub presiune, scuturi si instrumentatie de
monitorizare si de control pentru toate sistemele reactorului.
Bifați toate variantele aplicabile.
o Adevarat
o Fals
15 *Tipurile de reactoare cu fisiune critică sunt:
Bifați toate variantele aplicabile.
o Reactoare de putere
o Reactoare de cercetare
o Reactoare reproducătoare
16 *Imbogatirea combustibilului nuclear presupune:
Marcați un singur oval.
o Cresterea procentajului de U-235
o Cresterea procentajului de U-238
o Scaderea procentajului de U-235
17 *Tehnologiile moderne de extragere a uraniului presupun:
Marcați un singur oval.
o Extragerea din mine sub forma de minereu
o Injectarea de solutii acide in minereu
o Injectarea de solutii bazice in minereu
18 *Dupa racire si diminuarea radioactivitatii, combustibilului nuclear este stocat intermediar in:
Marcați un singur oval.
o containere de otel si beton
o puturi adanci
o fundul marilor si oceanelor
Nume prenume/semnătură cursant
Prof. Liliana CARP
____________________________