Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор
👩🏫Методичні акценти для вчителя • План проведення уроку на 45 хвНУШ▼
🎯 Очікувані результати навчання (НУШ):
Формування предметних компетентностей за темою «Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор», розвиток критичного мислення, вміння аналізувати причинно-наслідкові зв'язки та застосовувати набуті знання на практиці.
💬 Провокативне питання для старту:
Використайте блок «Гачок (Hook)» нижче для 2-хвилинної розминки з класом перед поясненням нового матеріалу.
⏱️ Рекомендований таймінг 45-хвилинного уроку:
Тема: Розділ 5. Будова атома та атомного ядра • с. 260. Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор. Д/з: опрацювати матеріал уроку та завдання «У зошит» на платформі EZZ-SCHOOL BOOKS.
⚡ Фронтальне бліц-опитування класу на початку уроку (2 хв):
- Що є ключовим поняттям теми «Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор» і чому воно важливе?
- Де у повсякденному житті, науці чи IT ми стикаємося з цим явищем/алгоритмом?
- Яка найпоширеніша помилка виникає під час першого знайомства з матеріалом?
🏠 Диференційоване домашнє завдання:
- Базовий рівень (обов'язковий): опрацювати конспект і блок «У зошит».
- Достатній рівень: скласти власну шпаргалку та пройти MiniCheck.
- Високий / STEM: виконати симуляцію у лабораторії та скласти BossQuiz на 100 XP.
📊 Критерії формувального оцінювання:
Твоя місія на цей урок
Натискай на цілі у міру їх опанування:
- 1Описати крапельну модель поділу ядра Урану-235 під дією теплових нейтронів.Опанувати ➔
- 2Зрозуміти зміст коефіцієнта розмноження нейтронів k (критичний стан при k = 1).Опанувати ➔
- 3Вивчити будову та роботу ядерного реактора: ТВЕЛи, сповільнювач, стрижні регулювання.Опанувати ➔
- 4З'ясувати різницю між реакцією поділу важких ядер та термоядерним синтезом легких ядер.Опанувати ➔
💥 Як поділ одного грама урану замінює три тонни вугілля?
Під час розщеплення всього одного грама Урану-235 виділяється стільки ж тепла, скільки від спалювання майже трьох тонн добірного вугілля! Як звичайний повільний нейтрон розриває важке ядро, звідки береться ланцюгова реакція і як фізики навчилися надійно її приборкувати в ядерному реакторі?
1. Ділення ядер урану та колосальна енергія реакції
У 1938–1939 роках німецькі фізики Отто Ган і Фріц Штрассман разом із Лізою Мейтнер та Отто Фрішем відкрили явище ділення ядер урану: при захопленні повільного теплового нейтрона важке ядро Урану-235 деформується і розривається на два уламки (ядра криптону і барію або ксенону і стронцію).
При кожному окремому акті ділення одного ядра ²³⁵U виділяється колосальна енергія — близько 200 МеВ (3,2 · 10⁻¹¹ Дж) кінетичної енергії уламків, а також 2–3 вторинні швидкі нейтрони!
Порівняння: при повному діленні всього 1 грама урану виділяється стільки ж тепла, скільки при спалюванні понад 3 тонн добірного кам'яного вугілля!
2. Ланцюгова ядерна реакція та критична маса
Вторинні нейтрони, народжені при першому діленні, можуть захоплюватися сусідніми ядрами ²³⁵U, викликаючи їхнє ділення. Реакція розростається — це ланцюгова ядерна реакція.
Характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів k:
- k < 1: реакція затухає (нейтрони губляться або поглинаються);
- k = 1: стаціонарна керована ланцюгова реакція — режим роботи ядерного реактора АЕС;
- k > 1: лавиноподібне наростання кількості нейтронів — некерована ланцюгова реакція (ядерний вибух).
Мінімальну масу урану, за якої можлива самопідтримувана ланцюгова реакція, називають критичною масою (для чистої сфери з урану-235 вона становить близько 50 кг, а з берилієвим відбивачем нейтронів — близько 15 кг).
3. Будова ядерного реактора АЕС (типу ВВЕР)
Основні конструктивні вузли реактора:
- Активна зона: заповнена ТВЕЛами (тепловидільними елементами) — цирконієвими трубками з таблетками діоксиду збагаченого урану (UO_2);
- Сповільнювач нейтронів: вода, важка вода D_2O або графіт — перетворює швидкі нейтрони на теплові (повільні), які найкраще ділять уран-235;
- Регулюючі стрижні: виготовлені з бору (B) або кадмію (Cd), які жадібно поглинають нейтрони. Занурюючи їх глибше в активну зону, реакцію гальмують; піднімаючи — прискорюють (підтримують k = 1);
- Теплоносій: вода під тиском 160 атмосфер, яка відбирає тепло від ТВЕЛів і несе його до парогенератора;
- Біологічний захист: сталевий корпус товщиною 20 см та залізобетонна оболонка конфайнменту товщиною понад 1,5 м.
Який режим ланцюгової ядерної реакції підтримується в активній зоні діючого реактора АЕС?
Шпаргалка до § 34: Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор
Усе найважливіше для повторення перед уроком або самостійною роботою
💥 Поділ ²³⁵U
Поглинання нейтрона породжує 2 уламки + 2-3 швидкі нейтрони + 200 МеВ енергії.
🎯 Коефіцієнт k
k = 1 — стабільна робота АЕС; k > 1 — розгін потужності; k < 1 — зупинка.
🛑 Стрижні регулювання
Виготовлені з бору чи кадмію; поглинають нейтрони і керують ланцюжком.
☀️ Термоядерний синтез
Злиття надлегких ядер дейтерію і тритію при 100 млн градусів (джерело енергії Сонця).
Самоперевірка (картки знань)
Натискай для перевороту (або Пробіл / ◀ ▶ на клавіатурі)
У зошит (за підручником)
Вправи з підручника «Фізика 9 клас (Бар'яхтар, Довгий та ін., Ранок 2026)», § 34, с. 260. Виконуй у робочий зошит або за комп'ютером за вказівкою вчителя:
Енергія 1 моля урану
💡 Підказка від нас: E = N_A · E₁ = (6.02 · 10²³) · (3.2 · 10⁻¹¹ Дж) ≈ 1.93 · 10¹³ Дж = 19.3 ТДж!
Ланцюжок перетворень енергії на АЕС
💡 Підказка від нас: Ядерна енергія ⟶ внутрішня теплоносія ⟶ внутрішня пари ⟶ механічна турбіни ⟶ електрична генератора.
Порівняння енергії з дровами
💡 Підказка від нас: За 1 год на 100 м² падає E = 650 · 100 · 3600 = 2.34 · 10⁸ Дж. При питомій теплоті згоряння сухих дров q = 1.5 · 10⁷ Дж/кг це еквівалентно спалюванню ~15.6 кг дров.
Енергія поділу 1 г урану
💡 Підказка від нас: Кількість ядер у 1 г: N = (1 / 235) · 6.02 · 10²³ ≈ 2.56 · 10²¹. Загальна енергія: E = 2.56 · 10²¹ · 3.2 · 10⁻¹¹ ≈ 8.2 · 10¹⁰ Дж = 82 ГДж!
Бос-тест до § 34: Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор
Питання 1 з 4 • Завдай удару по босу теми