Fundamentos de energía nuclear

PROGRAMA DE ESTUDIOS: FUNDAMENTOS DE ENERGÍA NUCLEAR
PROTOCOLO
Fechas
Elaboración
Mes/año
Clave
02 – 2007
Nivel
Licenciatura
Aprobación
Ciclo
Aplicación
Colegio
Plan de estudios del que forma parte:
Semestre
1-CT-SE-14
X
7mo.
Maestría
Doctorado
Integración
Básico
Superior
H. y C.S.
C. y T.
X
X
C. y H.
Ingeniería en Sistemas Energéticos
Propósito(s) general(es): Que el estudiante comprenda y domine los fundamentos de los procesos nucleares, sus
posibles efectos biológicos y en el medio ambiente, su aprovechamiento como fuente de energía y que resuelva
problemas relacionados con el uso y aprovechamiento industrial de la energía nuclear, mediante la descripción de las
reacciones nucleares, sus efectos biológicos y medioambientales. Y que entienda las diversas aplicaciones pacificas
que tiene el uso de la energía nuclear.
Carácter
Indispensable X
Optativa *
Modalidad
Seminario
Curso
Taller
X Curso-taller
Laboratorio
Clínica
Horas de estudio semestral (16 semanas)
Con
Teóricas
62 Autónomas Teóricas
62
Docente
Prácticas
10
Prácticas
10
Carga horaria semanal:
Carga horaria semestral:
4.5
72
Asignaturas Posteriores:
Asignaturas Previas
Introducción a la ingeniería en sistemas energéticos.
Nucleoelectricidad.
Requerimientos
para cursar la
asignatura
Conocimientos generales sobre Sistemas Energéticos, Física, Química, Matemáticas y de
Termodinámica.
Habilidades: Plantear y resolver ecuaciones algebraicas de primero y segundo grado,
ecuaciones químicas, determinar y balancear ecuaciones químicas. Así como de problemas
simples de termodinámica.
Perfil deseable
del profesor:
Que tenga un Posgrado en alguna área relacionada con la química o física, tales como:
Químico, Físico o Ingeniero Químico de preferencia con experiencia docente.
Academia responsable del programa:
Programa de Energía.
Diseñador (es):
Dr. Gerardo Canizal Jiménez, M. en I. Carlos Chávez
Baeza, Dr. Álvaro Eduardo Lentz Herrera, M. en I.
Fernando Gabriel Arroyo Cabañas.
*Aquellas en las que se ofrece la posibilidad de cursar una de las asignaturas, para cubrir un requisito INDISPENSABLE
será considerada INDISPENSABLE.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Fundamentos de energía nuclear
1
PROGRAMA DE ESTUDIOS
FUNDAMENTOS DE ENERGÍA NUCLEAR
INTRODUCCIÓN
La radiación está presente desde el origen del Universo, hace aproximadamente 20000 millones de
años, ya que intervino en la gran explosión: Big Bang. Es así que la radiactividad existía en nuestro
planeta mucho antes que la aparición de la vida sobre el mismo, todo organismo vivo contiene
vestigios de sustancias radioactivas. Pero hace un siglo que la humanidad descubrió este fenómeno
gracias a científicos como Antoine Henri Becquerel, Wilhelm Röentgen y Marie Curie y Pierre Curie
entre otros.
Por tanto la era nuclear comenzó en 1896, con el casual descubrimiento de Becquerel sobre la
naturaleza radioactiva del uranio. La laboriosa investigación que siguió, particularmente la de
Rutherford, condujo al concepto revolucionario de que la radioactividad es un efecto nuclear. Algunos
núcleos atómicos representan un cambio repentino y espontáneo, liberando partículas energéticas
cargadas que van acompañadas por energía radiante en forma de penetrantes rayos gamma. Como
resultado de la emisión espontánea de partículas cargadas, los núcleos radioactivos se desintegran
o transforman en núcleos de diferentes elementos, la energía nuclear puede liberarse en dos formas
diferentes: por fisión de un núcleo pesado o por fusión de dos núcleos ligeros. En ambos casos se
libera energía porque los productos tienen una energía de enlace mayor que los reactivos. Las
reacciones de fusión son difíciles de mantener porque los núcleos se repelen entre sí, pero a
diferencia de la fisión no generan productos radiactivos.
En si la energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Y se
puede obtener por el proceso de Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por
Fusión Nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos). En las reacciones nucleares se libera una
gran cantidad de energía debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso,
se transforma directamente en energía. Lo anterior se puede explicar basándose en la relación
Masa-Energía producto de la genialidad del gran físico Albert Einstein.
Para conocer que es la energía nuclear primero debemos conocer que es, como se transforma, y
obtiene la energía, y los diferentes tipos de energía. De igual forma se debe tener un conocimiento
claro de los conceptos básicos utilizados en la física nuclear. Los primeros pasos que dio el hombre
para la obtención y transformación de esta clase de energía, data de los años 1930-1945, cuando se
obtuvo en forma artificial y controlada esta forma de energía, para la construcción de la primera
bomba atómica y el primer reactor nuclear experimental. Desde entonces se han realizado adelantos
he investigaciones en este campo para su aplicación para el beneficio de la humanidad.
PROPÓSITOS GENERALES
Que el estudiante comprenda y domine los fundamentos de los procesos nucleares, sus posibles
efectos biológicos y en el medio ambiente, su aprovechamiento como fuente de energía y que
resuelva problemas relacionados con el uso y aprovechamiento industrial de la energía nuclear,
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Fundamentos de energía nuclear
2
mediante la descripción de las reacciones nucleares, sus efectos biológicos y medioambientales. Y
que entienda las diversas aplicaciones pacificas que tiene el uso de la energía nuclear.
PLANEACIÓN ESPECÍFICA
UNIDAD 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS SOBRE RADIACIONES
Propósitos específicos
Que el estudiante conozca las partículas elementales que se encuentran en el núcleo, sus
propiedades, modelos y energía, las leyes de decaimiento, el tipo de reacciones nucleares y como se
producen los radioisótopos, mediante la descripción del núcleo atómico y las teorías que describen
los procesos nucleares, para que comprenda los procesos nucleares que suceden en un reactor
nuclear.
Temas y subtemas
1.1. El núcleo atómico.
1.2. Nucleidos: propiedades y relaciones entre ellos.
1.3. Ley de decaimiento radiactivo.
1.4. Procesos de decaimiento.
1.5. Radiactividad natural y artificial.
1.6. Reacciones nucleares.
1.6.1. Sección eficaz en las reacciones nucleares.
1.6.2. Método de activación.
1.6.3. Difusión y moderación de neutrones.
1.6.4. Ecuación de difusión.
1.6.5. Teoría de la edad de Fermi.
1.7. Tipos de reacciones nucleares.
1.8. Sistemas de producción de radioisótopos artificiales.
UNIDAD 2. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN, DETECCIÓN Y DOSIMETRIA
Propósitos específicos
Que el estudiante comprenda en que consiste la interacción de la radiación con la materia y como se
detecta la radiación nuclear, mediante el conocimiento del tipo de energía que tiene cada partícula
nuclear y de las leyes de atenuación, pues con esto podrá interpretar lo que sucede en los procesos
nucleares.
Temas y subtemas
2.1. Interacción de las partículas cargadas con la materia.
2.1.1. Mecanismos de pérdida de energía.
2.1.2. Poder de frenado y alcance.
2.2. Interacción de los fotones con la materia.
2.3. Atenuación y absorción de la radiación electromagnética.
2.4. Interacción de los neutrones con la materia.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Fundamentos de energía nuclear
3
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
Formas de detección de la radiactividad.
Tipos de detectores.
Espectrometría.
Magnitudes y unidades radiológicas.
Dispositivos utilizados para dosimetría.
UNIDAD 3. EFECTOS BIOLÓGICOS Y PROTECCIÓN DE LA RADIACIÓN
Propósitos específicos
Que el estudiante conozca y comprenda los efectos de la radiación, así como los mecanismos que
predominan en está y los tipos de protección que existen, mediante la descripción de estos efectos y
como contrarrestarlos, para que si usa o trabaja con energía nuclear pueda tener las bases para
protegerse.
Temas y subtemas
3.1. Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes.
3.2. Mecanismo de producción del efecto biológico.
3.3. Cambios radio-inducidos en el material genético.
3.4. Tipos de efectos biológicos.
3.5. Radio-sensibilidad celular.
3.6. Protección radiológica.
3.6.1. Conceptos e Historia.
3.6.2. Unidades de Medida.
3.6.3. Fuentes de Radiación Natural y Antropogénica.
3.6.4. Efectos Biológicos de la Radiación.
UNIDAD 4. CENTRALES NUCLEARES
Propósitos específicos
Que el estudiante conozca en que consisten las centrales nucleares, su funcionamiento y la
seguridad que se lleva a cabo en la central nuclear, mediante la descripción de una central nuclear,
para que entienda como se obtiene energía eléctrica a partir de la energía nuclear.
Temas y subtemas
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
Fundamentos de funcionamiento de centrales nucleares.
Teoría de reactores nucleares.
Sistema de refrigeración del reactor.
Estructura interna del reactor.
Combustibles nucleares y residuos radiactivos.
Mantenimiento y control durante la operación de centrales nucleares.
Ingeniería civil de centrales nucleares.
Contribución de las centrales nucleares.
Perspectiva de la energía nuclear.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Fundamentos de energía nuclear
4
4.10. Seguridad Nuclear.
UNIDAD 5. APLICACIONES DE LA ENERGÍA NUCLEAR (RADIOISÓTOPOS)
Propósitos específicos
Que el estudiante conozca las posibles aplicaciones pacificas de los radioisótopos en la industria
nuclear, mediante la explicación de la mayoría de las formas de interacción que pueden tener éstos
isótopos radiactivos, para que determine su uso pacifico en el ámbito profesional.
Temas y subtemas
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
Aplicaciones médicas.
Aplicaciones diagnósticas y terapéuticas.
Aplicaciones en la industria y en otros campos.
Plantas de irradiación.
Trazadores radiactivos.
Aplicaciones radioquímicas y medioambientales.
Aplicaciones en agricultura.
METODOLOGÍA PARA EL CURSO
Este programa se planeo para dictarse como un curso teórico. El aprendizaje de los temas se debe
llevar a cabo en dos niveles aquel que se imparten con docente y un nivel que debe ser de
aprendizaje autónomo. En los períodos de estudio con docente el estudiante asistirá a clases o al
laboratorio. Las clases serán mediante la interacción estudiante-profesor y estudiante-estudiante en
las que todos deberán participar activamente y el profesor tendrá la función de supervisor y
facilitador. Esta función será favorecida por el uso de material que suministre el entendimiento y la
comprensión de los temas, se podrán usar principalmente representaciones y modelos en
computadora con paquetería didáctica, algunos experimentos seguros, además de otro tipo de
ayudas didácticas. Puesto que la asignatura Fundamentos de Energía Nuclear es parte de la
ciencias Química y Física. La explicación de los fenómenos que se presentan a través de
exposiciones ayudará al estudiante a comprender mejor los procesos con los cuales se enfrentara en
su vida profesional, así también como a reforzar los conocimientos teóricos adquiridos en clases.
EVALUACIONES
EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA
Modalidad: Escrita.
Criterios: Comprensión de conceptos y resolución de problemas expresados en los requerimientos
para cursar la asignatura. Los criterios e indicadores a avaluar son: conceptos de Física y Química,
Sistemas Energéticos y resolución de problemas tanto matemáticos como fisicoquímicos.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Fundamentos de energía nuclear
5
EVALUACIÓN FORMATIVA
Modalidad: Las evaluaciones podrán ser de forma escrita, oral, o ambas y se aplicara tres
evaluaciones como mínimo durante el curso, debido a que así lo requiere el programa. La evaluación
escrita se realizara en el momento en que el profesor considere adecuado considerando para esto el
avance del programa y de las necesidades de integración de los contenidos del programa así como
el avance del grupo con respecto a este.
Criterios: Grado y comprensión de conocimientos, aplicación de conocimientos, análisis e
integración de los diversos contenidos a través de la resolución de problemas.
EVALUACIÓN PARA LA CERTIFICACIÓN
Modalidad: Esta evaluación podrá ser escrita, oral, o ambas.
Criterios: Conceptos básicos de radiaciones ionizantes, tipos de radiación, detección, protección y
efectos biológicos de las radiaciones, así como de sus posibles aplicaciones.
Indicadores. Que el estudiante conozca los diferentes conceptos que se usan en Energía Nuclear,
que son las radiaciones ionizantes, tipos de radiación, tipos de radioisótopos. Conocer y comprender
como se realiza la detección, medida y protección a las radiaciones. Comprender y entender los
efectos de la radiación en los seres vivos y como hacer uso de los diferentes tipos de radiaciones en
aplicaciones industriales de forma pacifica e inocua para el ambiente.
BIBLIOGRAFIA BÁSICA









W.S.C. Williams. Nuclear and Particle Physics. Oxford Science Pub., 1991.
Klement, A. CRC Handbook of Environmental Radiation. 2000 Corporate Blvd., Boca Raton,
Florida, 1982.
G.F. Knoll. Radiation detection in measurement. John Wiley & Sons, 1989.
F.H. Attix, K.R. Kase. The dosimetry of ionizing radiation. Academic Press, 1987
W. D. Loveland, D. Morrissey, G. T. Seaborg. Modern Nuclear Chemistry. Wiley-Interscience,
2001.
G. Choppin, J. Rydberg, and J. O. Liljenzin. Radiochemistry and Nuclear Chemistry, 3rd ed.
Butterworth-Heinemann, 2001.
Thormod Henriksen and David H. Maillie. Radiation and Health. CRC, 2002.
Geoffrey Hewitt. Introduction to Nuclear Power, 2nd ed. Taylor & Francis, 2000.
Raymond Murray. Nuclear Energy: An Introduction to the Concepts, Systems, and Applications
of Nuclear Processes, 5th ed. Butterworth-Heinemann, 2000.
RECURSOS DIDÁCTICOS
Equipo audiovisual, equipo de cómputo, paquetería didáctica para la enseñanza de la química y de
Física.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Fundamentos de energía nuclear
6