Главная
страница 1

МОСКОВСКАЯ ГОРОДСКАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

ШКОЛЬНИКОВ ПО ЭКОНОМИКЕ «ШАГИ В ЭКОНОМИЧЕСКУЮ НАУКУ»




Трехмерное моделирование цепной ядерной реакции




Выполнил:

Кочкарев Алексей

Ученик 10-2 класса ГБОУ Гимназии №1518

Руководители:

Сапрыкина Л.С.

Хохлов Н.Е.










Москва 2013



Оглавление


Введение 3

Трехмерное моделирование 5

Цепная реакция деления ядер урана 7

Моделирование цепной реакции деления ядер урана 10

Вывод 13

Список литературы 15




Введение


В нашем мире многие физические явления невозможно проследить невооруженном глазом, ведь молекулы и атомы, принимающие участие в этих процессах, ничтожно малы. Такие процессы можно рассмотреть только под электронным микроскопом. Но такая практика не может применяться в школах и других учебных заведениях в связи с размерами электронного микроскопа. Для наглядного представления физических явлений используется трехмерная графика, которая позволяет нам увидеть весь процесс реакции.

В настоящее время быстро развивается ядерная энергетика. Ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы, атомные подводные лодки, атомные авианосцы). В условиях нехватки энергетических ресурсов ядерная энергетика считается самой перспективной в ближайшие десятилетия.

Существует четыре основных вида ядерных реакций:


  • Ядерная реакция деления

  • Ядерная реакция синтеза

  • Термоядерная реакция

  • Фотоядерная реакция

В школьном курсе физики 11 класса изучается цепная реакция деления ядер урана. В учебниках и пособиях представлены схемы, демонстрирующие эту реакцию. Но для того, чтобы лучше понимать суть реакции, необходимо ее наглядное представление.

В ходе работы создана трехмерная модель цепной ядерной реакции для более наглядного ее представления. Для этого использовался графический редактор Autodesk 3Ds Max. Данная программа широко используется дизайнерами и художниками по всему миру.



Цель и задачи

Цель моей работы - создать трехмерную модель цепной ядерной реакции.

Для этого я определил несколько задач:



  1. Изучить особенности трехмерного моделирования

  2. Изучить принципы цепной ядерной реакции на примере деления ядер урана

  3. Создать трехмерную модель цепной ядерной реакции


Трехмерное моделирование


Трёхмерная графика (3D) - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Трехмерная графика широко используется в науке и промышленности, например, в системах автоматизации проектных работ (САПР), в архитектурной и медицинской визуализации. Самое широкое применение трехмерная графика находит в современных компьютерных играх, кинематографе, телевидении и печатной продукции.

В настоящее время известно несколько способов отображения трехмерной информации в объемном виде: стереоочки, виртуальные шлемы, 3D дисплеи.

Создание трехмерной графики происходит в несколько этапов:


  • Моделирование

  • Текстурирование

  • Освещение

  • Анимация

  • Динамическая симуляция

  • Рендеринг

  • Вывод полученного изображения на устройство вывода

Само же моделирование сцены (композиции трехмерных объектов) включает в себя такие объекты, как геометрия, материалы, источники света, виртуальные камер, силы, воздействия и дополнительные эффекты. Камеры, силы и дополнительные эффекты используются для создания анимации.

Ниже представлены объекты моделирования.



c:\users\алексей\desktop\новая папка\130217010759381.png

  1. Геометрические объекты

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130217202608112.png

  1. Материалы. В раздел материалы можно добавить любую свою текстуру

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130217204242361.png

  1. Источник света


Цепная реакция деления ядер урана


Ядерные реакции

Для начала, что же такое ядерная реакция? Ядерная реакция – это взаимодействие частицы с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных частиц или гамма-квантов. Другими словами, ядерная реакция – это процесс образования новых ядер или частиц. Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 году. Он обнаружил, что при столкновении альфа-частиц с ядрами атомов азота образуются быстро движущиеся протоны. Это означало, что ядро изотопа азота (14/7) N в результате столкновения с альфа-частицей (4/2) He превращалось в ядро изотопа кислорода (17/8) O.



Деление ядер урана

Среди различных ядерных реакций особое значение в жизни современного человеческого общества имеют цепные реакции деления некоторых тяжелых ядер.

Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1939 году. В результате экспериментальных и теоретических исследований, выполненных Э.Ферми, И.Жолио-Кюри, О.Ганом, Ф.Штрассманом, Л.Мейтнер, О.Фришем, было установлено, что при попадании в ядро урана одного нейтрона ядро делится на две-три части.

При делении одного ядра урана освобождается примерно 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную уносят гамма-кванты.

Зная энергию, выделяющуюся при делении одного ядра урана можно подсчитать, что выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов джоулей. Это в несколько миллионов раз больше, чем выделяется при сжигании 1 кг каменного угля или нефти. Поэтому были предприняты поиски путей освобождения ядерной энергии в значительных количествах для использования ее в практических целях.

Впервые предположение о возможности осуществления цепных ядерных реакций высказал Ф.Жолио-Кюри в 1934 году. Он же в 1939 году вместе с Х.Халбаном и Л.Коварски экспериментально обнаружил, что при делении ядра урана, кроме осколков-ядер, вылетают также 2-3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При делении трех ядер урана должно освободиться 6-9 новых нейтронов, они попадут в новые ядра урана и т.д. Ниже приведена схема развития цепной реакции деления ядер урана.



c:\users\алексей\appdata\local\microsoft\windows\temporary internet files\content.word\img_0429.jpg

Практическое осуществление цепных реакций – не такая простая задача, как это выглядит на схеме. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызывать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, для разрушения же ядер изотопа урана с массовым числом 238 их энергия оказывается недостаточной. В природном уране на долю урана с массовым числом 238 приходится 99,7%, а на долю урана с массовым числом 235 – лишь 0,7%. Поэтому первый возможный путь осуществления цепной реакции деления связан с разделением изотопов урана и получением в чистом виде в достаточно больших количествах изотопа U235. Необходимое условие для осуществления цепной реакции – наличие достаточно большого количества урана, так как в образце малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь образец, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, в котором может возникнуть цепная реакция, называется критической массой. Критическая масса для урана-235 – несколько десятков килограммов.

Простейшим способом осуществления цепной реакции в уране-235 является следующий: изготавливают два куска металлического урана, каждый с массой, несколько меньшей критической. Цепная реакция в каждом из них в отдельности идти не может. При быстром соединении этих кусков развивается цепная реакция и выделяется колоссальная энергия. Температура урана достигает миллиона градусов, сам уран и любые другие вещества, находящиеся поблизости, превращаются в пар. Раскаленный газообразный шар быстро расширяется, сжигая и разрушая все на своем пути. Так происходит ядерный взрыв.

Использовать энергию ядерных взрывов в мирных целях очень трудно, так как выделение энергии при этом не поддается контролю. Управляемые цепные реакции деления ядер урана осуществляются в ядерных реакторах.

Ядерные реакторы широко используются на атомных электростанциях по всему миру.

Атомная энергетика развивается усиленными темпами, ведь это наиболее эффективный, дешевый и экологически чистый вид топлива.

Далее перехожу непосредственно в редактор и начинаю моделирование.

Моделирование цепной реакции деления ядер урана


Первый этап – моделирование ядра урана.

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130130220108160.png

  1. Создаю шар Sphere. Копирую его

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130130220522130.png

  1. После достижения необходимого количества крашу их в два цвета: красный и синий

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130130221548077.png

  1. Начинаю собирать половинку ядра

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130203173311583.png

  1. Полученную половинку копирую и разворачиваю. Затем соединяю две половинки. Ядро готово

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130210173453705.png

  1. Копирую ядра для достижения нужного количества и выстраиваю сцену

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130210180700195.png

  1. Выравниваю сцену, используя вид сверху

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130219001308947.png

  1. Сцена готова

Второй этап – создание анимации

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130203190232652.png

  1. Делаю анимацию деления одного ядра

c:\users\алексей\desktop\новая папка\130219234327130.png

  1. Приступаю к созданию анимации для всей сцены

После того как создание анимации закончено, делаю рендеринг видео. Выбираю качество 1920х1080. Можно ознакомиться с полученным видео.

Вывод


В ходе проделанной работы поставленная цель была достигнута. Была изучена трехмерная графика и принципы трехмерного моделирования, так же был пройден курс обучения в 3Ds Max. Для полного представления цепной ядерной реакции была изучена цепная реакция деления ядра урана.

Редактор, которой я использовал в своей работе, можно использовать для моделирования любых предметов. Он широко используется по всему миру архитекторами, художниками, веб-дизайнерами и студентами. 3Ds Max самая удобная программа в своем роде для трехмерного моделирования и текстурирования.



Полученное видео можно использовать для ознакомления цепной реакции деления ядра урана. Так же данный видеоролик подходит для демонстрации на уроках физики в 11 классах.

Список литературы




  • О.Ф.Кабардин «Справочные материалы по физике» 1996 г.

  • Сазанов А.А. «Трехмерное моделирование в AutoCAD 2011»

  • Г. Кесслер «Ядерная энергетика» 1986 г.

  • Н.С. Бабаев, В.Ф. Демин, Л.А. Ильин «Ядерная энергетика, человек и окружающая среда» 1981

  • Лешковцев В.А. «Ядерная энергия» 1954

  • Сайт «Моделирование и текстурирование» http://3deasy.ru

  • Сайт «Википедия. Свободная энциклопедия» http://ru.wikipeia.org


Смотрите также:
Департамент Образования города Москвы Московская городская научно-практическая конференция школьников по экономике «Шаги в экономическую науку» «нейронные сети. Их применение
298.28kb.
1 стр.
Московская городская научно-практическая конференция школьников по экономике «шаги в экономическую науку»
80.98kb.
1 стр.
Каратэ искусство или спорт?
131.56kb.
1 стр.
Международная научно-практическая конференция школьников и педагогов «Первые шаги в науку» Приезд Николая II в Брянск
283.36kb.
1 стр.
Международная научно-практическая конференция школьников и педагогов «Первые шаги в науку»
345.96kb.
1 стр.
Московская городская научно-практическая конференция обучающихся «Праздник Науки 2013» с международным участием
24.72kb.
1 стр.
Научно-практическая конференция учащихся и педагогов «Первые шаги в науку»
277.33kb.
1 стр.
Международная научно-практическая конференция «Первые шаги в науку», 2013 год архитектура могилева: век ХХ на перекрестке тысячелетий
456.18kb.
3 стр.
X городская научно-практическая техническая конференция школьников «Исследуем и проектируем»
223.36kb.
1 стр.
X городская научно-практическая техническая конференция школьников «Исследуем и проектируем»
124.62kb.
1 стр.
Международная научно-практическая конференция «первые шаги в науку»
123.77kb.
1 стр.
Международная научно-практическая конференция «Первые шаги в науку» Династические браки Романовых, их влияние на внешнюю политику Российского государства. История
145.22kb.
1 стр.