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Subject code : 6890308-
La asignatura consta de una parte teórica que se encuentra dividida en cinco bloques y de dos tipos de actividades complementarias:
Seguidamente se presentan los contenidos de la parte teórica.
En este bloque al ser de ciencia, se hablará de fenómenos sin hacer mención alguna a si tendrán o no utilización práctica. Será un bloque temático de ciencia muy básica, el tratamiento de los fenómenos será fundamentalmente descriptivo, se introducirán los conceptos básicos de la ciencia/física nuclear, y aprovecharemos para recalcar como estos quedan fuera del campo de la física clásica.
Los dos fenómenos tratados en este bloque han sido seleccionados por haber dado lugar al desarrollo de aplicaciones tecnológicas: radiactividad y radiación por una parte, y de reacciones nucleares por otra, destacándose las reacciones nucleares de fisión y fusión.
Tema 1. Estructura de la materia y formas de energía.
1.1 Introducción: materia y energía. 1.2 Materia 1.3 La energía: concepto y propiedades. 1.4 Formas de energía: cinética, potencial, térmica, química y nuclear 1.5 Radiación electromagnética. 1.6 Introducción a la mecánica relativista: equivalencia masa-energía y leyes de conservación. 1.6.1 Dinámica de una partícula material. 1.6.2 Unidades de masa y energía: equivalencia entre ellas. 1.6.3 Dinámica de una partícula sin masa. 1.6.4 Sistema aislado de partículas: leyes de conservación en colisiones y desintegraciones. 1.6.5 Energía de enlace de un sistema.
1.6.6. Consideraciones generales y ejemplos útiles para la solución de problemas de mecánica relativista/masa-energía
Tema 2. La naturaleza atómica y nuclear de la materia.
2.1 Composición de átomos y núcleos: propiedades generales. 2.2 Los elementos químicos y los isótopos. 2.3 Peso atómico, mol y densidad atómica. 2.4 Energía del átomo y del núcleo: estados excitados y radiación. 2.5 Energía de enlace del núcleo y del átomo. 2.6 Fuerzas en la naturaleza y fuerzas entre nucleones.
Tema 3. Radiactividad y reacciones nucleares.
3.1 Estabilidad nuclear y desintegración radiactiva. 3.1.1 Procesos de desintegración radiactiva. 3.1.2 Ley fundamental de la desintegración radiactiva: cálculos de radiactividad. 3.1.3 Radiactividad natural y artificial. 3.2 Reacciones nucleares
3.2.1 Introducción. 3.2.2 Cinemática de una reacción nuclear. 3.2.3 Sección eficaz microscópica. Tasas de reacción 3.2.4 Sección eficaz macroscópica y recorrido libre medio 3.2.5 Variación de la sección eficaz con la energía. Modelo del núcleo compuesto
Tema 4. Interacción de la radiación con la materia.
4.1 Partículas cargadas. 4.1.1 Mecanismos de interacción: magnitudes caracterizadoras de la pérdida de energía y la penetración en la materia 4.1.2 Interacción de las partículas alfa con la materia. 4.1.3 Interacción de las partículas beta con la materia. 4.1.4 Fragmentos de la reacción de fisión. 4.2 Interacción de los rayos X y gamma con la materia.
4.2.1 Modos de interacción 4.2.2 Algunas implicaciones prácticas asociadas a la fenomenología de los procesos. 4.2.3 Atenuación y absorción de la radiación electromagnética. 4.2.4 Deposición de energía. 4.3 Interacción de los neutrones 4.3.1 Reacciones nucleares con neutrones 4.3.2 Clasificación de reacciones y secciones eficaces. 4.3.3 Tasas de reacción con un flujo de neutrones polienergético.
Tema 5. Fisión nuclear.
5.1 Fisión espontánea y fisión inducida 5.2 Nucleidos fisionables por neutrones. 5.3 Secciones eficaces de fisión inducida por neutrones 5.4 Productos emitidos durante las distintas fases del proceso de fisión inducida por neutrones 5.4.1 Productos de fisión 5.4.2 Neutrones de fisión: inmediatos y diferidos. 5.5 Energía liberada en la fisión: energía total y energía útil.
Tema 6. Fusión nuclear.
6.1 Introducción: La fusión nuclear 6.2 Principios de la fusión nuclear 6.2.1. Reacción de fusión nuclear 6.2.2. Balance energético 6.2.3. Temperatura de ignición 6.2.4. Criterio de Lawson
Bloque dedicado al estudio de la producción de energía eléctrica a partir de la reacción de fisión nuclear, empezando por definir los diversos parámetros nucleares en los que se basa la ingeniería nuclear para la producción de energía eléctrica, para estudiar a continuación la tipología de las centrales nucleares y sus magnitudes básicas y terminar este bloque con el estudio del ciclo del combustible nuclear.
Tema 7. Concepto de reactor nuclear de fisión. Fisión en cadena autosostenida con neutrones.
7.1 Concepto de ciclo neutrónico 7.2 Concepto de criticidad. 7.3 Factor de multiplicación de un medio infinito 7.4 Reactor finito: k efectiva 7.5 Evolución temporal de la población neutrónica 7.6 Potencia del reactor 7.6.1 Potencia neutrónica 7.6.2 Quemado. Consumo de combustible. 7.6.3 Potencia residual
Tema 8. Central nuclear: conversión de la energía nuclear en energía eléctrica.
8.1 Introducción 8.2 Tipología de reactores 8.2.1 Reactores de agua a presión 8.2.2 Reactores de agua en ebullición 8.2.3 Reactores de grafito-gas 8.2.4 Reactores de agua pesada 8.2.5 Reactores rápidos 8.2.6 Reactores híbridos 8.3 Magnitudes básicas de los reactores nucleares 8.3.1 Criticidad y quemado 8.3.2 Autoestabilidad del reactor 8.3.3 Conversión y reproducción en el combustible nuclear 8.4 Sistemas de seguridad 8.4.1 Sistemas relativos a la radiactividad 8.4.2 Sistemas de protección del reactor contra la reactividad
Tema 9. El ciclo de combustible nuclear. Fases pre y post-reactor.
9.1 Introducción 9.2 Descripción básica del ciclo del combustible a) Materias primas y concentrados b) Conversión c) Enriquecimiento d) Reconversión e) Fabricación f) Quemado en el reactor g) Almacenamiento de combustible irradiado h) Reelaboración Reactores de agua a presión i) Refabricación j) Gestión de residuos 9.3 Alternativas al ciclo del combustible a) Materias primas b) Reactores c) Otras alternativas 9.4 Diseño del reactor y diseño de ciclos a) Especificaciones nominales del reactor b) Distribución de potencia y factores asociados c) Cociente mínimo de flujo calorífico d) No fusión del combustible e) Coeficientes de reactividad f) Quemado g) Otros criterios
Se inicia en este bloque un repaso por las principales aplicaciones no energéticas de las radiaciones ionizantes en medicina e industria. Las aplicaciones energéticas, con mucho las más importantes hoy en día, han sido ya tratadas extensamente en el bloque 2 de este mismo texto. El enfoque que se ha pretendido dar a esta sección tiene el objetivo de que el estudiante consiga una cultura general sobre la diversidad de posibilidades prácticas que plantean las radiaciones ionizantes. Esta cultura sobre el tema puede aportar dos beneficios fundamentales:
Tema 10. Aplicaciones médicas de los radionucleidos y radiaciones ionizantes.
10.1 Introducción 10.2 Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes 10.3 Aplicaciones médicas de diagnóstico 10.4 Aplicaciones médicas de terapia
Tema 11. Producción de radionucleidos y aplicaciones de los mismos y de las radiaciones ionizantes en la industria.
11.1 Introducción. 11.2 Producción de isótopos radiactivos 11.3 Esterilización 11.4 Ensayos no destructivos 11.5 Generación de energía 11.6 Otras aplicaciones industriales de las radiaciones ionizantes
Tema 12. Sistemas de detección y medida de la radiación.
12.1 Introducción 12.2 Detectores de ionización gaseosa 12.3 Detectores de semiconductor 12.4 Detectores de centelleo y termoluminiscencia.
Este bloque habla de los temas relacionados con los riesgos debidos al uso civil de los procesos nucleares. Primero se trata de introducir la Protección Radiológica, disciplina que se ocupa de la medida de las dosis de radiación y del establecimiento de los límites correspondientes. Posteriormente la Seguridad Nuclear, centrada concretamente en las Centrales Nucleares, se presenta como la materia que estudia las condiciones que han de cumplir este tipo de instalaciones para considerarse seguras. La gestión de residuos radiactivos también forma parte de las consecuencias medioambientales del uso pacífico de la energía nuclear. El concepto de proliferación de armas nucleares y las medidas en relación con su prevención de se introducen también en este bloque. Finalmente tenemos un capítulo sobre la normativa para este tipo de instalaciones.
Tema 13. Protección Radiológica.
13.1 Introducción 13.2 Fuentes naturales y artificiales de radiaciones y radiactividad 13.3 Unidades de dosis de radiación 13.4 El objetivo y los principios básicos de la protección radiológica. El establecimiento de los límites de dosis 13.5 El cálculo de la dosis 13.6 Exposición interna 13.7 Medios físicos para la protección frente a las radiaciones ionizantes 13.8 El estudio del impacto radiológico 13.9 Los nuevos estándares de protección radiológica 13.10 Protección contra radiaciones no ionizantes 13.11 Resumen y conclusiones
Tema 14. Seguridad de instalaciones nucleares y radiactivas.
14.1 Introducción 14.2 La "defensa en profundidad" como principio de seguridad nuclear 14.3 La seguridad en el diseño 14.4 La calidad de la construcción 14.5 La explotación segura 14.6 La seguridad de las otras instalaciones nucleares 14.7 La garantía de la seguridad 14.8 La Escala Internacional de Eventos Nucleares 14.9 El accidente de Three Mile Island. Lecciones aprendidas 14.10 El accidente de Chernobyl 14.11 El accidente de Fukushima Daiichi
Tema 15. Gestión de residuos radiactivos.
15.1 Introducción 15.2 Origen de los residuos radiactivos 15.3 Clasificación de los residuos radiactivos 15.4 La generación de residuos radiactivos en el ciclo del combustible nuclear 15.5 El transporte de los residuos radiactivos 15.6 Gestión de los residuos de media y baja actividad (RMBA) 15.7 Gestión de residuos de alta actividad. El combustible gastado 15.8 El desmantelamiento de las centrales nucleares. El caso de la C.N. de Vandellós I
Tema 16. Diferenciación entre los usos civiles y militares de los procesos nucleares. La no proliferación y las salvaguardias.
16.1 Diferenciación entre los usos civiles y militares de los procesos nucleares 16.2 Explosivos nucleares 16.3 La cooperación internacional en materia de proliferación 16.4 El Tratado de No Proliferación (NPT) y las salvaguardias 16.5 Materiales fisibles y su uso militar 16.6 El reciclaje del Uranio y Plutonio de origen militar en centrales eléctricas 16.7 Resumen y conclusiones
Tema 17. Normativa sobre instalaciones nucleares y radiactivas.
17.1 Organismos reguladores de la energía nuclear 17.2 El papel del Consejo de Seguridad Nuclear (CSN) 17.3 El papel de la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) 17.4 El Organismo Internacional de la Energía Atómica (OIEA) 17.5 La agencia de la OCDE para la energía nuclear (NEA) 17.6 Efectos sobre el medio ambiente y otros seres vivos
El quinto y último bloque se centra en el estudio de las posibilidades futuras de la energía nuclear para el abastecimiento energético, pero primeramente se introducen unas nociones más generales sobre los aspectos económicos, estratégicos y medioambientales de la opción nuclear en el marco de la planificación energética. La atención se centra en hablar de reactores avanzados de fisión, de tercera y cuarta generación, sistemas transmutadores y reactores de fusión.
Tema 18. La energía nuclear en la planificación energética: aspectos económicos, medioambientales y estratégicos.
18.1 Introducción 18.2 Aspecto económico 18.2.1 Costes internos o directos 18.2.2 Costes externos o externalidades 18.3 Aspecto estratégico 18.4 Aspecto medioambiental 18.4.1 Protección radiológica 18.5 Conclusiones
Tema 19. Reactores avanzados de fisión nuclear: objetivos de la tercera y cuarta generación de centrales nucleares
19.1 Introducción 19.2 Reactores de tercera generación 19.2.1 Plan estratégico 19.2.2 Conceptos de reactores avanzados 19.2.3 El reactor EPR 19.2.4 El reactor AP600 19.2.5 El reactor GT-MHR 19.3 Reactores de cuarta generación 19.3.1 El reactor de agua supercrítico (SCWR) 19.3.2 El reactor de muy alta temperatura (VHTR) 19.3.3 El reactor rápido refrigerado por sodio (SFR) 19.3.4 El reactor rápido refrigerado por gas (GFR) 19.3.5 El reactor rápido refrigerado por plomo (LFR) 19.3.6 El reactor de sales fundidas (MSR)
Tema 20. Sistemas transmutadores de residuos nucleares.
20.1 Introducción 20.2 El papel de la transmutación en la gestión de residuos 20.2.1 Residuos de vida larga del combustible irradiado 20.3 Principios de la transmutación 20.3.1 Reacciones de transmutación 20.4 Sistemas transmutadores 20.4.1 La reacción de espalación 20.4.2 Reactores subcríticos asistidos por acelerador
Tema 21. Aprovechamiento de la reacción de fusión nuclear para la producción de energía eléctrica. Conceptos de reactores de fusión
21.1 El ciclo de combustible de fusión 21.1.1 Reacciones de fusión 21.1.2 Combustible 21.1.3 Recursos energéticos 21.2 Fusión por confinamiento magnético (FCM) 21.2.1 Confinamiento del plasma 21.2.2 Calentamiento del plasma 21.2.3 Reactor de fusión por confinamiento magnético 21.3 Fusión por confinamiento inercial (FCI) 21.3.1 Principales fases del proceso de fusión en confinamiento inercial 21.3.2 Método de irradiación 21.3.3 Cápsula de combustible 21.3.4 El láser 21.3.5. Reactor de fusión por confinamiento inercial
Estas prácticas consisten o bien en una visita a una Instalación Nuclear, o bien prácticas en los locales del Departamento de Ingeniería Energética de la ETS Ingenieros Industriales. Se realizarán en principio en el periodo de prácticas de las asignaturas del segundo semestre del grado en el mes de junio.
No hay sesión de prácticas en el mes de septiembre. Por lo tanto, y dado el carácter obligatorio de las mismas, cualquiera que sea el plan que el alumno tenga de examinarse (junio/septiembre) siempre tendrá que realizar las prácticas en el mes de junio.
Con antelación a la realización de las prácticas, los alumnos recibirán vía correo electrónico toda la información necesaria sobre las mismas: horarios, actividades, material necesario. Esa misma información aparecerá en el curso virtual de la asignatura
Actividades de seguimiento y evaluación continua del proceso de asimilación/aprendizaje en cada uno de los bloques en que se estructura la asignatura. Estas se pondrán a disposición de los estudiantes en el curso virtual de la asignatura. Tienen carácter obligatorio.