НЕТРАДИЦІЙНІ УРОКИ ФІЗИКИ В ШКОЛІ

"УРОК ПРИСВЯЧЕНИЙ ЧОРНОБИЛЮ"

Урок-ділова гра

 

Чорнобиль — чорний біль Душевний і тілесний.

Лиш чую звідусіль:

«Чи ми колись воскреснемо?»

Лиш чую звідусіль:

«Чорнобиль — чорний біль,

Його не забілити.

Він мов на рану сіль,

Мов щем несамовитий.»

Мета. На основі аналізу причин аварії на Чорнобильській АЕС увести поняття про ядерний реактор на теплових нейтронах (про принцип дії і будову); дати порівняльну характеристику реакторів на теплових і швидких нейтронах; ознайомити учнів зі станом ядерної енергетики України; розкрити роль людського фактора на виробництві.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Обладнання. Плакати та діафільм про ядерні реактори, стенд «Чи знаєте ви, що...» (див. додаток).

Методичні поради. Урок проводиться у формі відкритого засідання з питань розслідування причин аварії на Чорнобильській АЕС. Комісія з питань розслідування складається з трьох чоловік (учитель — голова комісії, два учні — члени комісії). Один учень виконує роль кореспондента — представника преси. Варто заздалегідь підготувати стенд, плакати тощо.

 

Хід уроку

Голова комісії. Сьогоднішнє відкрите засідання комісії з питань розслідування причин аварії на ЧАЕС допоможе нам з'ясувати будову канального ядерного реактора великої потужності на теплових нейтронах, принцип його роботи та стан енергетики в Україні.

Свої висновки ми побудували виключно на основі показів приладів, які відображали роботу всіх систем четвертого енергоблоку ЧАЕС та на аналізу дій персоналу ядерників, що обслуговували цей енергоблок. Хронометраж показів вимірювальних приладів був записаний системою реєстрації під назвою «чорний ящик».

Отож, розпочинаємо.

Перший член комісії. Будівництво Чорнобильської АЕС розпочалось у березні 1970 року. Було заплановано збудувати 6 блоків уран-графітового типу з електричною потужністю 1000 МВт кожний. Перші чотири блоки були введені в дію протягом 1977-1983 років. Ще два блоки планувались... Але згадаймо про те, що сталося 26     квітня 1986 року.

На третій секунді після натискання кнопки «Стоп», за допомогою якої автоматично заглушується реактор, відбувся різкий зріст його потужності (фізично це був розгон реактора на швидких нейтронах) а на дев'ятій — почали руйнуватися паливні канали і піднялася 1000-тонна залізобетонна плита, що закривала реактор, потягнувши за собою 211 стержнів — поглиначів нейтронів. Система керування і захисту була зруйнована. Стався вибух.

Другий член комісії. Так, але вибухів фактично було два. Перший — о 1 год. 23 хв. 44 с, коли внаслідок зросту потужності ланцюгової реакції розжарилися твели (тепловиділяючі елементи), частинки ядерного палива зруйнували цирконієві оболонки, розлетілися та застрягли в графіті. Теплоносій — вода перетворилася в пару, тиск якої заблокував подальший доступ води знизу для відбору тепла. Реактор перестав бути керованою системою. Коли пара під великим тиском зруйнувала частину паропроводів, потік води та пари викликав хімічні реакції з розігрітим графітом та цирконієм, унаслідок чого утворилися горючі гази, тиск яких був достатнім для підняття кришки реактора.

О 1 год. 23 хв. 46 с повітря увірвалося в активну зону і, після утворення суміші кисню з воднем та оксидом Карбону, відбувся новий вибух, що зруйнував перекриття реакторного залу, викинувши біля чверті графіту та частину ядерного палива назовні.

Кореспондент. Як класифікувати ті вибухи, що відбулися на ЧАЕС?

Голова комісії. Перший вибух розпочався як тепловий: система охолодження не впоралася із відведенням тепла. Але слід пам'ятати, що вода ще й добрий сповільнювач нейтронів, тобто зросла кількість нейтронів для ланцюгового процесу поділу ядер урану. Реактор почав працювати в критичному режимі. Це означає, що процеси в ньому за своєю фізичною суттю мало чим відрізнялися від процесів в атомній бомбі. Але в атомній бомбі радіоактивні осколки народжуються під час вибуху, а в ЧАЕС розсіялись радіонукліди, накопичені за багато місяців роботи реактора. І хоча енергія механічного руйнування не склала і стотисячної долі хіросімських руйнувань, щодо забруднення довго живучими радіонуклідами чорнобильська аварія еквівалентна вибуху близько 300 бомб, аналогічних тій, що була скинута на Хіросіму. Чорнобильський вибух продовжувався як ядерний, хоч ударної хвилі та світлового випромінювання майже не було. А другий — найпотужніший та руйнівний вибух — хімічний.

У результаті вибуху на Чорнобильській АЕС непридатними до використання стали 42 тис. кв. км території України; щонайменше 400 тис. мешканців були вимушені залишити свої домівки, більш як 10 млн. людей зараз проживають на радіаційно забруднених територіях.

Кореспондент. Ці вибухи... З якої причини вони відбулися? Відомо, що на станції мав проводитися експеримент. Чи це якимось чином пов'язано з причинами аварії?

Голова комісії. Так. Але були й інші причини. Є поняття проектно-аварійних ситуацій, коли прогнозується як їхнє виникнення, так і шляхи захисту від них. В атомній енергетиці їх дві: розрив трубопроводу, коли у реактор не поступає вода, та відключення реактора від споживачів електроенергії. Ось друга ситуація і «прокручувалась».

25 квітня 1986 року передбачалось відключити четвертий блок для планового ремонту. Було вирішено, використавши це, випробувати один із двох турбогенераторів у режимі вибігу (обертання ротора турбіни за інерцією після припинення подачі пари, за рахунок чого генератор деякий час продовжує виробляти електроенергію) та перевірити роботу спеціального регулятора магнітного поля генератора. Експеримент вважали суто електротехнічним, а тому режим роботи атомного реактора не брався до уваги. Під час проведення експерименту були такі порушення режиму експлуатації:

a)   зниження теплової потужності нижче від допустимого значення (наслідок:реактор став важко керованим);

b)   відключення від реактора частини циркуляційних насосів (наслідок: температура теплоносія стала вищою від критичної);

c)   блокування захисту реактора за сигналом зупинки двох турбогенераторів (наслідок: втрата можливості автоматичної зупинки реактора);

d)   блокування захисту за рівнем води та тиском пари у барабані-сепараторі (наслідок: захист реактора за тепловими параметрами повністю відключений);

e)   відключення системи аварійного охолодження реактора (наслідок: втрата можливості зниження масштабів аварії).

Крім того, мали місце і конструктивні вади.

Що це за система аварійного захисту, яку можна в довільний момент відключити?

Система аварійного захисту повинна спрацювати через 2-3 с, а насправді стержні-поглиначі занурювалися на семиметрову глибину більше ніж 20 с.

Стержні-поглиначі повинні заходити в реактор знизу, а вони кріпилися разом із механізмом їхнього керування до «кришки» реактора, яку може зрушити з місця пара навіть за незначного збільшення її тиску.

Крім того, стержні-поглиначі були коротшими за 7 метрів, унаслідок того нижні шари палива неможливо було «заглушити».

А звідси висновок конструкція реактора не була досконалою і це призвело до жахливої трагедії, наслідок якої зачепить не одне покоління людства.

Перший член комісії. Невдовзі після Чорнобильської аварії в 27 реакторах типу РБМК-1000 відбулися певні зміни: час введення системи аварійного захисту спочатку був скорочений до 12 с, а з 1989 року впроваджено швидкий аварійний захист (ШАЗ), що забезпечує введення в активну зону стержнів — поглиначів нейтронів за 2-2,5 с.

Удосконалена діагностика стану реактора, покращені інші характеристики реактора та систем відведення тепла.

Кореспондент. Чи не могли б Ви розповісти про будову ядерних реакторів докладніше? Які процеси там відбуваються? Яких видів є реактори, які їхні характеристики.

Голова комісії. Будь ласка. Реактором називається установка, в якій здійснюється керована ланцюгова реакція ділення ядер урану. В Україні в основному працюють реактори на теплових нейтронах: реактор РБМК-1000, який і був установлений на четвертому блоці ЧАЕС, та водо-водяний реактор (ВВЕР).

Перспективними є реактори на швидких нейтронах.

Реактор має активну зону, у якій розміщується ядерне паливо, пристрій для регулювання ходу ланцюгової реакції, теплоносій. У реакторах на теплових нейтронах в активну зону входить ще і сповільнювач нейтронів. Навколо активної зони розміщується біо-захист, призначений для захисту персоналу від радіації, а також відбивач нейтронів.

У реакторах типу РБМК сповільнювачем є графіт, а теплоносієм —        звичайна вода. Теплоносій в активній зоні рухається по окремих каналах, що прокладені в середині циліндра заввишки 7 м та діаметром до 12 м, виготовленого з графітових блоків загальною масою 1850 т.

У РБМК-1000 тепловиділяючими елементами є «пігулки» з діоксиду урану, які по 200 штук містяться в 36 твелах, які становлять касету. Загальна маса урану в реакторі — 192 т. В інших каналах — 211 стержнів-поглиначів. Вода подається в канали знизу циркуляційними насосами під тиском 70 атмосфери. У каналах вона закипає і суміш із 14% пари і 86% води через верхню частину каналу потрапляє у 4 горизонтальні барабани-сепаратори, де вода під дією сили тяжіння стікає вниз, а пара за температури 280°С через паропроводи подається у дві турбіни, після проходження яких охолоджується і конденсується у воду з температурою 165°С. Електрична потужність реактора 1000 МВт, а теплова 3200 МВт. ККД — 31%.

Реактори ВВЕР відрізняються від реакторів РМБК якісним складом збагаченого урану (ВВЕР — 4% U-235, РМБК — 1,8-2,4% U-235). У ВВЕР теплоносієм та сповільнювачем нейтронів є звичайна вода, причому активна зона не ділиться на канали, а тиск теплоносія стримується всім корпусом реактора. Вода віддає тепло парогенераторам і знову повертається в реактор. Таким чином, напрацьована у ВВЕР радіоактивність тільки в малих дозах потрапляє в зовнішнє середовище, а в РМБК пара безпосередньо з активної зони йде на турбіну. ККД реакторів ВВЕР теж 30%.

Активна зона реактора на швидких нейтронах складається з урану, збагаченого до 12% ізотопами U-235, U-233 чи плутонієм. Цю частину реактора виготовляють у вигляді суцільної чи порожнистої кулі або циліндра, які обкладають з одного або двох боків пластинами з природного урану або торію. Ці речовини становлять зону відтворення ядерного палива. Для відведення тепла використовують легкоплавкі метали — натрій, свинець та інші. Регулюючі стержні зроблені з урану-238, кадмій і бор для цього непридатні. Застосування реакторів на швидких нейтронах є засобом більш раціонального використання запасів природного урану.

Кореспондент. Навіщо сповільнюють нейтрони в реакторах на теплових нейтронах і чому не слід цього робити в реакторах на швидких нейтронах?

Голова комісії. Для того, щоб збільшити ймовірність захоплення більшої кількості теплових нейтронів ядрами урану U-235 за невеликого відсотку збагачення руди.

При поглинанні швидких нейтронів поділ урану U-238 відбувається всього в 5 випадках зі 100; 95 випадків — це утворення U-239. Крім того, значно зменшується імовірність захоплення швидких нейтронів і подальшого поділу U-235.

Кореспондент. Що можна сказати про стан атомної енергетики в Україні?

Перший член комісії. Сьогодні більше 40% електроенергії в Україні виробляють атомні електростанції. Решту — теплові та гідроелектростанції. З кожним роком частина електроенергії, виробленої атомними електростанціями, зростає.

Оскільки запаси органічного палива в Україні обмежені, то є необхідність використовувати ядерне пальне. Але аварія на ЧАЕС довела, що атомний реактор потребує бездоганної виробничої дисципліни, у зв'язку з чим зростає роль так званого людського фактора — зростає роль відповідальності робітника за доручену справу.

Генератори Чорнобильської АЕС припинили свою роботу 15 грудня 2000 року, над четвертим блоком зроблене суцільне укриття — «саркофаг».

Голова комісії. Але радіоактивне відлуння Чорнобиля нагадуватиме про себе ще не одну сотню років.

Кореспондент.

Чорнобильський вітер по душах мете.

Чорнобильський пил на роки опадає.

Годинник життя безупинно іде.

...Лиш пам'ять, лиш розум усе пам'ятає.

Голова комісії. Ми закінчили наше розслідування причин аварії на ЧАЕС. Чи є у вас якісь запитання? (Звертається до учнів класу.) Якщо немає, то у мене є запитання до вас.

Закріплення вивченого

Який має вигляд і як працює ядерний реактор на теплових нейтронах?

Навіщо сповільнюють нейтрони в реакторах на теплових нейтронах?

Як здійснюється керування ланцюговою реакцією в ядерному реакторі на теплових нейтронах?

Як здійснюється керування ланцюговою реакцією в реакторах на швидких нейтронах?

У чому полягає особливість будови реакторів на швидких нейтронах?

Чому в реакторі на швидких нейтронах не використовують воду, кадмій та бор?

 

Домашнє завдання

Додаток

На стенді доцільно розмістити таку інформацію «Чи знаєте Ви, що...»

- Першими, хто повідомив про чорнобильську трагедію, були шведські, вчені.

- Радянське керівництво повідомило про трагедію лише 28 квітня, але й після 28 квітня компартійне керівництво України продовжувало обдурювати світ і людей України про масштаби трагедії: у Києві 1 травня відбулася демонстрація, а 6 травня Київ приймав учасників велогонки світу.

- Унаслідок радіації найнебезпечнішим елементом є Радій.

- Найпотужніший ядерний реактор — канального типу на 1,5 млн. кВт на Італійській АЕС у Литві, працює з 1984 р.

- Найпотужніша ядерна електростанція — Фукусуме в Японії, де 10 реакторів мають загальну потужність 9 096 МВт.

- Природа також створила «свій» справжній урановий реактор близько 1,7 млрд. років тому, коли частка U-235 становила 3-3,3% (в урані на Чорнобильській АЕС — менша майже удвічі). У руслі африканської річки на території нинішнього Габону утворилися локальні концентрації руд урану з 30-відсотковим вмістом, вода була сповільнювачем. Реактор працював імпульсами, бо від перегрівання зменшувалася кількість води в активній зоні, і він самозупинявся (у Чорнобилі — все навпаки). Доведено, що цей реактор працював не менше 0,25 млн. років і використав понад 6 т U-235 (60% початкової кількості). Вважають, що такі реактори могли бути в інших місцях Землі, наприклад, реактор у Колорадо в США, рештки якого розмила вода.



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити