Ingenieria nuclear
L'ingenieria nuclear és l'aplicació pràctica dels coneiximents sobre el núcleu atòmic tractat pels principis de la química nuclear i física nuclear i l'interacció entre radiació i matèria. Este camp de l'ingenieria inclou el disseny, anàlisis, desenroll, proves, operació i manteniment dels sistemes i components de fissió nuclear, específicament reactors. En el subcampo de la fissió nuclear, inclou particularment el disseny, l'interacció i el manteniment de sistemes i components com reactors, plantes d'energia, o armament.
El camp també inclou l'estudi de la medicina i atres aplicacions de la radiació, particularment radiació ionisant, seguritat nuclear, transport de calor/termodinàmica, combustible nuclear, o una atra tecnologia relacionada (p. eix., eliminació de residus radiactius) i els problemes de la proliferació nuclear. Este camp també inclou ingenieria química i ingenieria elèctrica.[1]
A continuació es descriu l'entrenament típic en la majoria dels programes d'ingenieria dels Estats Units, programes d'atres països poden ser similars, pero no necessàriament iguals.
- Preparació tècnica universitària: s'inclou en els cursos d'ingenieria nuclear els cursos de matemàtiques que inclouen càlcul, aixina com cursos bàsics de física i química.
- Preparació universitària: els cursos deuen incloure fonaments de mecànica i dinàmica del moviment de partícules, termodinàmica, programació de computadores, física i química bàsica, matemàtiques fins a equacions diferencials.
Els cursos d'ingenieria nuclear a nivell universitari oferixen generalment l'opció per a elegir una especialisació en la qual l'estudiant pensa treballar en un futur. Especialisació inclouen mecànica de decorreguts, física dels reactors, mecànica quàntica, hidràulica tèrmica, circuits llineals, efectes de la radiació i transport de neutrons.
L'especialisació en fissió inclou l'estudi de reactors nuclears, sistemes de fissió, plantes d'energia nuclear, els cursos estan enfocats principalment en l'estudi de neutrons i termohidráhulica d'electricitat generada per energia nuclear, incloent la termodinàmica i mecànica de decorreguts.
L'especialisació en fusió nuclear estudis d'electrodinàmica i plasma. Esta especialisació té un enfocament d'investigació, molt més que un enfocament pràctic.
L'especialisació en medicina nuclear inclou cursos que tracten en dosis i absorció de radiació per teixits corporals. Els especialistes en esta àrea generalment estan enfocats en el camp de la medicina i alguns d'ells estudien medicina aixina com també l'especialisació en radiació oncològica, la possibilitat d'orientació cap a l'investigació també és possible en esta especialitat.
Història
editarEs pot argumentar que l'ingenieria nuclear va nàixer en 1938, en el descobriment de la fissió nuclear.[2] No obstant, des de la perspectiva de l'ingenieria d'aplicar la ciència per a crear alguna cosa nou, un començ més adequat podria ser en 1942, quan Chicago Pile-1 (CP-1) va escomençar a operar en l'Universitat de Chicago com a part del Proyecte Manhattan. El primer reactor nuclear artificial, el CP-1, va ser dissenyat per un equip de físics que estaven preocupats que l'Alemània nazi també intentara construir una bomba basada en la fissió nuclear. (La reacció nuclear més antiga coneguda en la Terra es va produir naturalment, fa 1700 millons d'anys, en Oklo, Gabon, Àfrica.) El segon reactor nuclear artificial, el Reactor de grafit X-10 va ser també com a part del Proyecte Manhattan, com els reactors productors de plutoni de la Hanford Engineer Works.
El primer reactor nuclear que va generar electricitat va ser l'Experimental Breeder Reactor I EBR-I , que ho va fer prop d'Arc, Idaho, en 1951.[3] El EBR-I era una instalació autònoma, no conectada a una ret, pero un reactor d'investigació posterior a Idaho de la série BORAX va suministrar breument energia a la ciutat d'Arc en 1955.
La primera central nuclear comercial, construïda per a conectar-se a una ret elèctrica, és la Central Nuclear d'Óbninsk, que va escomençar a funcionar en 1954. La segona sembla ser la Central nuclear de Shippingport, que va produir electricitat en 1957.
Per a una breu cronologia, des del descobriment de l'urani fins a l'época actual, vore el Resum d'Història de l'energia nuclear o Història de l'energia nuclear.
Vore la Llista de reactors nuclears comercials per a obtindre una llista completa de reactors nuclears i el Sistema d'informació de reactors de potència de la AIEA (PRIS) per a estadístiques mundials i nacionals sobre la generació d'energia nuclear.
Escola naval de potència nuclear en els EE. UU.
editarLa milícia naval dels EE. UU. posseïx un programa cridat Escola naval de potència nuclear (en anglés "Naval Nuclear Power School"), en este programa s'entrenen tant a oficials com a vetes de marina per a l'operació de plantes nuclears. Mentres que alguns oficials conten en estudis universitaris en ingenieria nuclear, la majoria conta en estudis en atres branques d'ingenieria. La majoria dels marins enlistados no conten en estudis en els EE. UU, no obstant tots són entrenats a través d'un programa rigorós (el qual dura 65 semanes per a maquinistes i 18 mesos per a tècnics electrònics), per a operar les plantes nuclears i de vapor en els submarins i aeronaus. L'entrenament inclou una certificació i molts marins prenen la decisió de treballar com a civils despuix de completar els seus sis anys obligatoris.
Estructura nuclear
editar- Artícul principal → Estructura nuclear.
L'interacció que manté la cohesió dels nucleones dins del núcleu resulta de l'interacció nuclear forta que unix els quarks del nucleón. L'interacció nuclear forta és la més intensa de les quatre forces fonamentals de la naturalea (d'ahí el seu nom); és de molt curt alcanç, lo que assegura la forta cohesió dels nucleones; pot considerar-se com a partícules elementals (ignorant la seua estructura interna) en un ampli ranc energètic (fins al GeV).
El residu d'esta interacció es fa sentir fòra dels nucleones, fortament repulsivo fins a un ferm a on resulta fortament atractiu, despuix disminuïx exponencialment (vore la figura per a una configuració de spin particular). Com els protones són partícules carregades, també interaccionen per mig de l'interacció de Coulomb. Si el número de protones en el núcleu és gran, este últim té prioritat sobre l'interacció forta i els núcleus es tornen inestables. La cantitat d'energia que manté el núcleu unit es diu energia d'unió al núcleu.[4]
Reaccions nuclears
editar- Artícul principal → Reacció nuclear.
Es diu que una reacció és nuclear quan hi ha una modificació de l'estat quàntic del núcleu. Llavors participen en la reacció els nucleones que constituïxen el núcleu, pero també atres partícules, com els electrons (i–), els positrones (i+).
Les reaccions nuclears poden ser de varis tipos.[5] Les més importants modifiquen la composició del núcleu i, per tant, també són transmutació; en la naturalea, observem:
- fissió: un núcleu pesat es trenca en dos o més fragments. És este tipo de reacció el que s'implementa en les bombes atmosfèriques bombes atòmiques de tipo A i en les centrals nuclears electrogenerantes;[6]
- fusió: dos núcleus llaugers es fusionen. Aixina és com les estreles produïxen energia. La fusió nuclear és la font de la nucleosíntesis que permet explicar la génesis de tots els elements de la taula periòdica dels elements de Mendeléyev i els seus isòtops. Este és també el tipo de reacció que s'utilisa en les anomenades bombes d'hidrogen (bomba H). L'us de la fusió per a la producció d'energia civil encara no s'ha dominat. El seu domini és objecte del proyecte internacional ITER;[6]
- radioactividad: un núcleu emet una o més partícules de forma espontànea. Distinguim:
- la radioactividad α, a on s'emet un núcleu d'heli 4,
- la radioactividad β, a on s'emeten un electró i un antineutrino electrònic (β–), és dir, un positrón i un neutrí d'electrons (β+),
- la radioactividad γ, per la que un núcleu pert la seua energia a través de la radiació electromagnètica d'alta energia.
En l'arribada dels acceleradors de partícules i núcleus pesats (Plantilla:Nobr), es varen estudiar nous tipos de reaccions:[5]
- reaccions de "transferència" a on s'intercanvien un o varis nucleones entre els núcleus del fes i els de l'objectiu;
- l'espalación (en anglés knock-out reaction): les partícules llaugeres (neutrons per eixemple) s'envien a un núcleu objectiu i expulsen un o més nucleones d'este núcleu;
- colisions entre núcleus pesats, a on la cantitat d'energia cinètica disponible és molt gran i conduïx a núcleus molt excitats (núcleus calents, o inclús energies molt altes en la formació de plasma de quark-gluón);
- en colisions violentes, la multifragmentación trenca un núcleu en més de dos núcleus.
Atres interaccions no modifiquen la composició del núcleu, sino que li transferixen energia d'excitació:
- les reaccions de difusió: el proyectil (un fotó, un nucleón o un conjunt de nucleones) veu modificada la seua trayectòria. Parlem de difusió elàstica quan hi ha conservació de l'energia cinètica del sistema (proyectil-objectiu). De lo contrari, parlem de difusió inelástica: energia potencial adicional (que prové del núcleu) es llibera en el moment de l'interacció. Quan la partícula incident és un fotó, cridem difusió de manera diferent, depenent del fenomen físic implicat:
- La dispersió de Thomson es referix a un fotó que interacciona en un electró lliure. Parlem de dispersió coherent perque la llongitut del fotó dispers és la mateixa que l'incident (vore el punt següent). La difusió de Thomson és una difusió elàstica que generalment té lloc entre vàries decenes de keV i 100 keV,
- quan el fotó té una energia incident més alta (més allà de 100 keV aproximadament), l'energia del fotó reemitido és inferior a la del fotó incident. Es parla d'efecte Compton (variació de la llongitut d'ona). La difusió Compton també és difusió elàstica (la diferència d'energia entre la gama incident i la gama reemitida es transmet a l'electró). La dispersió de Thomson és un cas especial de la dispersió de Compton (quan l'energia del fotó incident és molt inferior a 511 keV). Per tant, la difusió de Thomson no és en sentit estricte una difusió coherent, pero la diferència de llongitut d'ona entre la partícula emesa i la partícula incident és massa chicoteta per a ser medida.
- quan el fotó incident interacciona en un electró emparellat (més precisament en una molècula que té un moment dipolar com N2 o O2 que es troba en l'aire; el baricentre del núvol d'electrons d'un dels dos àtoms no coincidix en el núcleu), es parla de dispersió de Rayleigh. Este últim és perfectament coherent. Predomina per a fotons d'uns pocs eV. Explica en particular el color blau del cel;
- l'efecte fotoeléctrico: el fotó incident "desapareix" en transmetre la seua energia en forma d'energia cinètica a un electró. Este fenomen és predominant per als fotons en energies inferiors a vàries decenes de keV.
Àrees professionals
editarFissió nuclear
editar- Artícul principal → Fissió nuclear.
Prop del 20% de l'energia elèctrica generada en els EE. UU. és obtinguda a través de l'energia nuclear. L'energia nuclear representa una indústria de gran tamany i mantenint el suplement d'ingeniers nuclears s'assegura la seua estabilitat. Els ingeniers nuclears treballen en este camp directa o indirectament, en la producció d'energia o laboratoris governamentals. L'investigació actualment en l'indústria és dedicat a l'increment de l'eficiència econòmica de la mateixa i millora de funcionament i seguritat dels reactors nuclears. Encara que el govern investiga principalment les mateixes qüestions que l'indústria, el govern investiga sobre molts atres diferents tòpics i problemes com els combustibles nuclears i cicles de combustibles nuclears, disseny alvançat de reactors i disseny d'armes nuclears i el seu manteniment.
Fusió nuclear i física de plasma
editar- Artícul principal → Fusió nuclear.
Les àrees d'investigació inclouen altes temperatures, materials resistents a la radiació i dinàmica de plasma. Internacionalment, l'investigació s'ha enfocat a la construcció de prototips tokamak cridats ITER. L'investigació en ITER s'enfoca primer en inestabilitat i divergència en el disseny. Investigadors dels EE. UU. creen experiments de confinament inercial el qual és cridat Planta Nacional d'Ignició (PNI) (en anglésNational Ignition Facility (NIF)). El PNI serà utilisat per a refinar els càlculs de transport de neutrons.
Medicina nuclear
editar- Artícul principal → Medicina nuclear.
La medicina nuclear és una especialitat de la medicina en la que s'utilisen radiotrazadores o radiofármacos (formats per un fàrmac transportador i un isòtop radiactiu) per al diagnòstic i tractament de malalties. Estos radiofármacos s'apliquen dins del organisme humà per diverses vies (la més utilisada és la via intravenosa).
-
Image de resonància magnètica nuclear d'un cap humà
-
PET pres en un ECAT Exactitut HR+
Materials nuclears i combustibles nuclears
editar- Artícul principal → Matèria nuclear.
La matèria nuclear és un sistema idealizado de nucleones que interactuen (protones i neutrons) i que existix en vàries fases de la matèria exòtica que no estan totalment establides.
-
Uranita, La principal matèria primera per al combustible nuclear
Radiologia
editar- Artícul principal → Radiologia.
La radiologia és l'especialitat mèdica, que s'ocupa de generar imàgens de l'interior del cos per mig de diferents agents físics (rajos X, ultrasons, camps magnètics, entre uns atres) i d'utilisar estes imàgens per al diagnòstic i, en menor mida, per al pronòstic i el tractament de les malalties.
-
Detector de centelleo junt a un tros d'Uraninita
Universitats que oferixen cursos d'ingenieria nuclear en espanyol
editarArgentina:
- Institut Balseiro, unitat acadèmica de l'UNCuyo (Universitat Nacional de Que el seu). Ingenieria Nuclear (grau), Especialisació en Aplicacions Tecnològiques de l'Ingenieria Nuclear (postgrau), Mestrage en Ingenieria en Orientació en Ingenieria Nuclear (postgrau) i Doctorat en Ingenieria Nuclear (postgrau).
- Institut de Tecnologia Nuclear Donen Beninson, unitat acadèmica de l'UNSAM (Universitat Nacional de General Sant Martín). Tecnicatura Universitària en Aplicacions Nuclears (pregrado), Ingenieria Nuclear en Orientació en Aplicacions (títul de grau), Especialisació en Reactors Nuclears i el seu Cicle de Combustible (postgrau) i Doctorat en Tecnologia Nuclear (postgrau).
Cuba:
- Institut Superior de Tecnologies i Ciències Aplicades, Ingenieria en Tecnologies Nuclears i Energètiques.
- Institut Superior de Tecnologies i Ciències Aplicades, mestrage en Instalacions Nuclears.
Espanya:
- Universitat Autònoma de Madrit, MINAUniversitat Nacional d'Educació a Distància.
- ETS d'Ingeniers industrials.
Mèxic:
- Universitat Autònoma de Zacatecas, Unitat Acadèmica d'Estudis Nuclears.
- Mestrage en Ciències Nuclears en orientació en Ingenieria Nuclear (postgrau).
Referències
editar- ↑ «Nuclear Engineers : Occupational Outlook Handbook: : O. S. Bureau of Llabor Statistics» (en en-us).
- ↑ «The Discovery of Fission». US Department of Energy.
- ↑ «The World's First Nuclear Power Plant». US Department of Energy.
- ↑ Luc, Valentin (1986). «IV», Hermann (ed.). Li monde subatomique : dones quarks aux centrals nucleaires. (en francés). OCLC 300428165. ISBN 2-7056-6043-7.
- ↑ 5,0 5,1 Herman, Feshbach (1992). Wiley (ed.). Theoretical nuclear physics: nuclear reactions (en en). OCLC 23219184. ISBN 0-471-05750-9.
- ↑ 6,0 6,1 cea. fr (ed.): «L'énergie nucléaire : fusion et fission» (en fr) (llibret educatiu). Consultat el 14 ago 2021.
Enllaços externs
editar- Nuclear Engineering International magazine (en anglés)
- Generació d'energia elèctrica per potència nuclear comercial (en anglés)
- Informació sobre l'energia nuclear (en anglés)
- Este artícul conté una traducció derivada de «Ingeniería nuclear» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.