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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 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
En la primera parte de este bloque se describirá el funcionamiento básico del reactor térmico que, a día de hoy, representa prácticamente la totalidad de los reactores utilizados para la generación de energía eléctrica. Para entender los procesos que tienen lugar dentro del núcleo se utilizará el concepto de reactor infinito homogéneo que permite, de forma simple, entender los complejos equilibrios que rigen la operación de los reactores nucleares térmicos. Por otro lado, en el capítulo se explicará el esquema general de una central nuclear, así como se describirán los principales tipos de reactores utilizados para la producción de energía eléctrica.
En la segunda parte se describirá el ciclo de combustible desde las materias primas y su disponibilidad hasta la reutilización o gestión como residuo final de los elementos de combustible. Este tema es de vital importancia dentro de la tecnología de fisión ya que el impacto medioambiental y económico de esta tecnología es crítico a la hora de evaluar el coste-beneficio, y por tanto la viabilidad, de las diferentes tecnologías de fisión.
Tema 7. Conceptos básicos del reactor nuclear térmico.
7.1 Introducción. 7.2 Esquema general de una central nuclear 7.3 Reacción en cadena controlada. 7.4 Factor de multiplicación. Criticidad y reactividad 7.5 Ciclo neutrónico 7.6 Reactor infinito homogéneo 7.7 Evolución temporal de la población neutrónica. Período del reactor 7.8 Neutrones diferidos 7.9 Potencia del reactor 7.9.1 Potencia del reactor durante la operación. Quemado 7.9.2 Potencia residual del reactor durante la parada. 7.10 Tipos de reactores térmicos
Tema 8. El ciclo de combustible nuclear.
8.1 Introducción. Esquema general 8.2 Materias primas y su disponibilidad 8.3 Extracción 8.4 Procesado 8.5 Fabricación 8.6 Utilización 8.7 Almacenamiento 8.8 Reprocesado 8.9 Gestión de residuos
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 9. Aplicaciones médicas de los radionucleidos y radiaciones ionizantes.
9.1 Introducción 9.2 Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes 9.3 Aplicaciones médicas de diagnóstico 9.4 Aplicaciones médicas de terapia
Tema 10. Producción de radionucleidos y aplicaciones de los mismos y de las radiaciones ionizantes en la industria.
10.1 Introducción. 10.2 Producción de isótopos radiactivos 10.3 Esterilización 10.4 Ensayos no destructivos 10.5 Generación de energía 10.6 Otras aplicaciones industriales de las radiaciones ionizantes
Tema 11. Sistemas de detección y medida de la radiación.
11.1 Introducción 11.2 Detectores de ionización gaseosa 11.3 Detectores de semiconductor 11.4 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 Tecnológica, en el contexto de una Seguridad Nuclear que incluye también la Seguridad Nuclear Física, y del marco de la cultura de seguridad nuclear. Se centra el estudio especialmente en las Centrales Nucleares, y 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.
En este bloque, además del material básico y complementario relacionado en esta guía, se pondrá a disposición en el plan de trabajo del curso virtual material adicional de apoyo.
Tema 12. Protección Radiológica.
12.1 Introducción 12.2 Fuentes naturales y artificiales de radiaciones y radiactividad 12.3 Unidades de dosis de radiación 12.4 El objetivo y los principios básicos de la protección radiológica. El establecimiento de los límites de dosis 12.5 El cálculo de la dosis absorbida en casos sencillos 12.6 Exposición interna 12.7 Medios físicos para la protección frente a las radiaciones ionizantes 12.8 El estudio del impacto radiológico 12.9 Los estándares de protección radiológica 12.10 Resumen y conclusiones
Tema 13. Seguridad nuclear
13.1 Introducción 13.2 Principios de seguridad nuclear 13.3 Seguridad nuclear en el diseño, construcción, puesta en marcha y explotación 13.4 Aproximaciones determinista y probabilista 13.6 Accidentes nucleares
Tema 14. Gestión de residuos radiactivos.
14.1 Introducción 14.2 Generación de residuos radiactivos 14.3 Clasificación de los residuos radiactivos 14.4 La generación de residuos radiactivos en el ciclo del combustible nuclear 14.5 El transporte de los residuos radiactivos 14.6 Gestión de los residuos de media, baja y muy baja actividad 14.7 Gestión de residuos de alta actividad 14.8 El desmantelamiento de las centrales nucleares
El quinto y último bloque ofrece una perspectiva del papel que desempeña la energía nuclear en el presente, así como de las posibilidades futuras que ofrece. En el Tema 15 se desglosan las perspectivas que se deben considerar al analizar una fuente de energía y se aplican a la energía nuclear del presente. En el Tema 16 se desarrollan los conceptos de reactores de fisión que optimizan diferentes aspectos del diseño para ofrecer soluciones concretas a los retos técnicos actuales de la energía nuclear y poder, así, seguir formando parte de la producción eléctrica en el medio plazo. En el Tema 17 se abordan los reactores de fusión nuclear. Representan, en el largo plazo, una prometedora alternativa energética nuclear con grandes ventajas respecto de las tecnologías de fisión.
Tema 15. La energía nuclear en la planificación energética: aspectos económicos, medioambientales y estratégicos.
15.1 Situación de la energía nuclear de fisión 15.2 Aspectos económicos de la energía nuclear de fisión 15.3 Aspectos de seguridad de la fisión nuclear 15.4 Aspectos medioambientales de la fisión nuclear 15.5 Previsiones para la energía nuclear 15.5 Conclusiones
Tema 16. Reactores avanzados de fisión nuclear
16.1 Reactores térmicos de generación IV 16.1.1 Reactor de agua supercrítica 16.1.2 Reactor de muy alta temperatura 16.1.3 Generación de residuos radiactivos 16.2 Reactores rápidos de generación IV 16.2.1 Selección del refrigerante para los reactores rápidos 16.2.2 Reactores refrigerados por metales líquidos: SFR y LFR 16.2.3 Reactor rápido de gas 16.3 El ciclo del Torio 16.4 Reactor epitérmico de generación IV: reactor de sales fundidas 16.5 Reactores pequeños modulares (Small Modular Reactors) 16.6 Reactores rápidos como solución a los residuos actuales 16.7 Resumen y estado actual de los reactores avanzados
Tema 17. Aprovechamiento de la reacción de fusión nuclear para la producción de energía eléctrica. Conceptos de reactores de fusión
17.1 El ciclo de combustible de fusión 17.1.1 Reacciones de fusión 17.1.2 Combustible 17.1.3 Recursos energéticos 17.2 Fusión por confinamiento magnético (FCM) 17.2.1 Confinamiento del plasma 17.2.2 Calentamiento del plasma 17.2.3 Reactor de fusión por confinamiento magnético 17.3 Fusión por confinamiento inercial (FCI) 17.3.1 Principales fases del proceso de fusión en confinamiento inercial 17.3.2 Método de irradiación 17.3.3 Cápsula de combustible
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.
