Řetězová reakce a jaderný reaktor

Žáci navazují na štěpení jader a energetickou bilanci přeměn (G-FYZ-05-002, G-FYZ-05-006) a popisují, jak uvolněné neutrony mohou vyvolat další štěpení. Řetězová reakce probíhá udržitelně jen při vhodné geometrii paliva, spektru neutronů a násobícím faktoru blízkém jedné; jinak vymírá, nebo se rozbíhá.

V hodině se oddělí role moderátoru (zpomalení neutronů k účinnému štěpení 235U) a regulačních tyčí (pohlcování neutronů). Jaderný reaktor je tepelný stroj: energie štěpných produktů se předává chladivu a teprve potom se mění na mechanickou práci a elektřinu.

Žáci posuzují vstupní a výstupní částice jednoho štěpení i celé kaskády a odhadují, proč se v reaktoru nesmí zaměňovat „kritický stav“ s výbuchem jaderné zbraně.

Předpoklady

• Štěpení jader, deficit hmotnosti a energetická bilance vstupních a výstupních částic
• Radioaktivní přeměny a zákon časového úbytku aktivity
• Přeměna tepla na práci v tepelném stroji

Klíčové pojmy

Řetězová reakce

Kaskáda štěpení, v níž neutrony uvolněné v jednom jádře vyvolávají štěpení dalších jader téhož paliva.

Násobící faktor k

Poměr počtu neutronů v následující generaci k počtu v generaci předchozí; k < 1 podkritický, k = 1 kritický, k > 1 nadekritický stav.

Kritické množství a geometrie

Nejmenší množství a uspořádání paliva, při němž únik neutronů z objemu ještě dovolí udržet k ≈ 1.

Moderátor

Látka (např. voda, grafit), která srážkami snižuje energii rychlých neutronů, aby vzrostla pravděpodobnost štěpení 235U.

Regulační tyče

Absorpční materiál (typicky kadmium, bór), který mění počet volných neutronů a tím ladí k kolem jedné.

Palivový cyklus v reaktoru

Štěpení → kinetická energie úlomků → teplo chladiva → pára / turbína; elektřina nevzniká přímo z neutronů.

Okamžité a zpožděné neutrony

Většina neutronů vyletí ihned se štěpením, malá část až z přeměn dceřiných jader; zpožděné neutrony umožňují regulaci výkonu.

Časté miskoncepce

• Častá chyba

  Žáci říkají, že jakmile v palivu proběhne jedno štěpení, reaktor „vybuchne jako bomba“, protože řetězová reakce prý nelze zastavit.

  Jak na to

  Na tabuli nakreslete tři stavy k < 1 / k = 1 / k > 1 a ukažte, že zasunutím tyčí klesne počet pohlcených vs. štěpících neutronů; bom<x>ba nemá moderátor ani pomalou regulaci zpožděnými neutrony.

• Častá chyba

  Žáci označí vodu v reaktoru za „brzdu reakce“, jako by moderátor neutrony pohlcoval stejně jako kadmiová tyč.

  Jak na to

  Rozdělte dual: voda srážkami zpomaluje neutrony (zvyšuje pravděpodobnost štěpení 235U), tyč je pohlcuje; nechte žáky přiřadit šipky „zpomalit“ vs. „sebrat“ na schématu aktivní zóny.

• Častá chyba

  Žáci počítají energetickou bilanci tak, že „zmizí celé jádro uranu“ a zbytek hmotnosti se beze zbytku změní v elektřinu v generátoru.

  Jak na to

  Spočítejte jedno štěpení: dva úlomky + 2–3 neutrony + záření; většina energie je kinetická energie úlomků, která ohřeje chladivo — turbína je až další článek řetězce.

• Častá chyba

  Žáci čtou k = 1 jako „v reaktoru je jen jeden neutron“, proto prý při ustáleném výkonu „nic neštěpí“.

  Jak na to

  Nakreslete generace: z N neutronů vznikne opět N; výkon je úměrný počtu štěpení za sekundu, ne hodnotě k samotné.

Jak učit

2–3 hodiny

1. Evokace: otázka, proč jedno štěpení 235U uvolní 2–3 neutrony a co se stane, když každý z nich zasáhne další jádro.
2. Jádro: schéma aktivní zóny (palivo, moderátor, tyče, chladivo) a podmínky k ≈ 1 včetně zpožděných neutronů.
3. Reflexe: žáci slovně posoudí jednu štěpnou událost i reaktor jako celek z hlediska částic a toku energie (G-FYZ-05-002).

Nápady na aktivity

• Práce s PhET simulací Nuclear Fission: žáci nastaví počet jader a absorpci a zapíší, kdy řetězec vymře, ustálí se, nebo se rozběhne.
• Papírové schéma reaktoru: skupiny doplní chybějící popisky a šipky energie od úlomků po turbínu a opraví záměnu moderátor/tyč.

Hodnocení

Ústně nebo písemně: žák popíše řetězovou reakci, uvede význam k a rozliší funkci moderátoru a regulační tyče.

Krátký výpočet/úvaha: z daného zápisu štěpení posoudí vstupní a výstupní částice a kam směřuje uvolněná energie.

Související témata

• Jaderné přeměny a energetická bilance
• Zákon radioaktivní přeměny
• Ochrana před zářením
• Tepelné stroje
• Kvantování energie v atomu
• Souhrnné opakování fyziky na gymnáziu

Zdroje

• PhET Interactive Simulations — Nuclear Fission
• RVP — prohlednout.rvp.cz
• edu.gov.cz

Co pro vás ScioBot připraví k tématu Řetězová reakce a jaderný reaktor

Interaktivní aktivity, které žáci spustí na tabletu či tabuli, tisknutelné kartičky a hry pro celou třídu – každý formát na téma Řetězová reakce a jaderný reaktor jedním klikem.

Základní materiály

• Příprava na hodinu

  Kompletní příprava s cíli, průběhem a aktivitami.

• Pracovní list

  List s úlohami, klíčem a variantou.

• Písemka

  Časovaná písemka s body a variantami.

• Aktivita

  Aktivita do hodiny, kterou žáci hned spustí.

• Prezentace

  Sada slajdů k výkladu a procvičení.

• Kartičky

  Materiál k tisku (kartičky, plakát, pracovní list).

• QR hra

  Interaktivní hra k procvičení tématu.

Interaktivní aktivity 14

• Křížovka s tajenkou

  Legendová křížovka, kde se ve sloupci skrývá tajenka. Skvělá na opakování pojmů.

  10–20 min

• Kartičky

  Sada oboustranných kartiček na učení pojmů a definic. Žáci si je procvičí překlápěním.

  5–20 min

• Pexeso a spojovačka

  Dvojice kartiček s obrázky, pojmy nebo příklady. Spojovačka, pexeso i volné třídění – ideální na slovní zásobu i opakování.

  10–25 min

• Rozhodovačka

  Rychlé rozhodování mezi možnostmi s okamžitou zpětnou vazbou.

  5–12 min

• Otázky

  Sada otázek s výběrem odpovědí; jedna nebo více správných. Okamžitá sebekontrola.

  5–15 min

• Vpisování

  Žáci dopisují krátké odpovědi a ihned vidí, zda se trefili.

  5–15 min

• Rozřazovačka

  Žáci přetahují kartičky do správných kategorií.

  5–15 min

• Rozbory

  Žák přiřazuje značky k částem věty nebo výrazu — větné členy, slovní druhy, větné rozbory. Sebevyhodnocovací procvičování.

  10–20 min

• Označování

  Žáci označují správná slova přímo v textu.

  5–15 min

• Doplňování textu

  Žáci doplňují chybějící slova přímo do vět nebo krátkého textu.

  5–15 min

• Krok po kroku

  Žáci řadí kroky procesu do správného pořadí.

  5–15 min

• Popis obrázku

  Diagram s očíslovanými špendlíky. Žáci přiřazují popisky k částem obrázku — biologie, zeměpis, anatomie.

  5–15 min

• Přesouvání

  Žáci přetahují kartičky do přesně určených slotů.

  5–15 min

• Čtení s porozuměním

  Žáci čtou krátký text a odpovídají na otázky k jeho obsahu.

  10–25 min

K tisku a rozstříhání 8

• Páry

  Kartičky se dvěma polovinami, které k sobě patří (např. datum–událost). Žáci je vystřihnou a párovají.

  10–20 min

• Výběr z možností (s tajenkou)

  Kartičky s úlohami a třemi možnostmi. Písmena u správných odpovědí složí tajenku — žák si tak řešení zkontroluje sám.

  10–20 min

• Doplňování do vět

  Věty s výběrem ze dvou možností uvnitř — žák zakroužkuje správnou.

  10–20 min

• Hra Riskuj

  Kvízová hra se třemi podtématy a otázkami různé hodnoty — klasický formát Riskuj / Jeopardy.

  15–30 min

• Hra AZ kvíz

  28 otázek na hexagonální hrací pole — cílem je spojit všechny tři strany.

  15–35 min

• Označ správnou možnost

  Kartičky s otázkou a čtyřmi možnostmi — žák označí správnou (např. kolíčkem).

  10–20 min

• Já mám, kdo má …?

  Kartičky s tvrzením a otázkou — žáci je čtou v kruhu a hledají navazující odpověď.

  10–25 min

• Hádej, kdo jsem

  Kartičky s popisem osobnosti, věci nebo zvířete v 1. osobě — žáci tipují, o koho/co jde.

  10–25 min

Hry pro celou třídu 4

• AZ kvíz

  28 otázek na hexagonálním hracím poli — cílem je spojit všechny tři strany. Včetně náhradních ANO/NE otázek.

  15–35 min

• Riskuj

  Klasická hra se 5 kategoriemi a otázkami za 100–500 bodů — týmy soutěží o nejvyšší skóre.

  15–40 min

• Pexeso

  Klasické pexeso s 10 dvojicemi (pojem ↔ popis) — dva týmy se střídají a hledají shody.

  10–25 min

• Šarády

  Šarády se 12 úkoly (mluvení, kreslení, pantomima) — dva týmy hádají, kdo uhodne první, dostane bod.

  15–30 min

Očekávané výstupy