Inginerie Nucleara

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
O centrală nucleară cu fisiune nucleară

Ingineria nucleară este o disciplină de pionierat în domeniul aplicării fenomenelor fundamentale ale fizicii nucleare , pentru nevoile unei societăți avansate. În special, este interesat de studiul și utilizarea proceselor nucleare și radioactive , de exemplu în crearea, controlul și utilizarea energiei nucleare , precum și în medicina nucleară și apărarea națională.

Prin urmare, este un material cu mai multe fațete pentru care se referă la cât mai multe domenii ale fizicii aplicate, cum ar fi transferul de căldură , criogenia , hidraulica , știința materialelor și reacțiile chimice aplicate. Mai mult, la fel ca în cazul altor sectoare industriale (aerospațială, chimică, mecanică și electronică), aceasta întâlnește adesea analiza și modelarea sistemelor complexe care sunt uneori prea costisitoare pentru a fi testate în laborator. [1] [2]

În plus față de toate acestea, un inginer nuclear are printre interesele sale principale studiul evenimentelor neașteptate cu care ar trebui să avem de-a face cu realizarea și utilizarea energiei nucleare, care uneori se dovedesc a fi catastrofale. Prin urmare, științe precum analiza riscurilor, protecția împotriva radiațiilor și eliminarea deșeurilor radioactive sunt semnificative pentru acest sector. [3]

Încercarea de a trasa brusc o linie între fizica nucleară și ingineria nucleară în primii ani nu este banală. Se crede în mod obișnuit că această disciplină a luat naștere odată cu prima fisiune nucleară de către Otto Hahn , Lise Meitner și Fritz Strassmann în 1939. [1] Cu toate acestea, interesul fizicienilor și al chimiștilor a început cu mulți ani mai devreme, acționând ca un preludiu la tot ceea ce astăzi se încadrează în domeniul ingineriei nucleare.

Istorie

Deși chimistul Martin Klaproth a dat peste uraniu încă din 1789, fenomenele nucleare au rămas necunoscute până la sfârșitul anilor 1800. Nu același lucru se poate spune pentru prima jumătate a secolului al XX-lea: în puțin sub patruzeci de ani, fizica nucleară și-a asumat un rol de extremă importanță și prestigiu chiar dincolo de comunitatea științifică. Cu toate acestea, este adevărat că până la sfârșitul anului 1930, un mic cerc academic era interesat de studiul acestor fenomene și singurele, precum și primele, aplicații erau în domeniul medical. [4]

În orice caz, o înțelegere satisfăcătoare a structurii atomice nu a fost obținută decât în ​​1932, când James Chadwick a descoperit neutronul . Opera lui Chadwick a fost atât de remarcabilă încât se obișnuiește să se distingă două perioade din istoria disciplinei: ceea ce s-a întâmplat înainte de 1932 și ceea ce a urmat în 1932. [4]

James Chadwick

Aceste cercetări, cel puțin în primii ani, au făcut parte din proiectul mai larg de clasificare și studiu al elementelor prezente în natură, extinzând ceea ce învățaseră Lavoisier , Dalton și Mendeleev . Acesta din urmă a organizat elementele cunoscute până acum pe baza greutății lor atomice , a proprietăților fizice și chimice într-un tabel care îi poartă astăzi numele, oferind astfel chimiștilor din anii 1800 un instrument puternic pentru înțelegerea structurii moleculelor . Dacă la sfârșitul secolului teoria atomică părea să fie ferm stabilită pe aceste fundamente, nu a durat atât de mult. De fapt, mulți înainte ca Chadwick să înceapă să investigheze lumea atomică, observând incompatibilitatea cu cunoștințele care până acum se credea a fi sigure. [5]

În primul rând a fost Wilhem Conrad Röntgen care, în 1895, lucrând cu un tub de raze catodice , a observat o strălucire fluorescentă strălucitoare [6] a unei plăci în afara recipientului de sticlă. Astfel, el a dedus existența unei radiații energetice speciale capabile să pătrundă în acoperirea obscurizată a tubului cu raze catodice, o radiație până acum necunoscută și, prin urmare, numită „radiație x”. Acest lucru a permis o mai bună înțelegere a structurii materiei, în special a celei cristaline, astfel încât să se dezvolte cristalografia cu raze X. [4] [5] Adesea reintră în imaginația colectivă pentru utilizarea lor diagnostică, poate nu din scop, dat fiind că între 1899 și 1907 mulți medici au exploatat capacitatea razelor X de a traversa țesuturile umane [7] , făcând astfel vizibile structura osoasă. [8]

Anul care a urmat descoperirii lui Röntgen, Bequerel , la acea vreme unul dintre cei mai importanți experți în fosforescență și răspuns optic al materialelor, a studiat ipoteza că substanțe precum sărurile de uraniu ar putea emite raze X dacă sunt expuse la o sursă de lumină (cum ar fi lumina soarelui ). Bequerel a observat cum mineralul care conținea uraniul continua să emită radiații chiar și în absența unui stimul de lumină externă. Astăzi, acesta este cunoscut sub numele de procesul de dezintegrare radioactivă a nucleelor ​​de uraniu, care emit particule alfa și beta , pentru a dobândi o configurație stabilă. În ciuda radiațiilor gamma urmate în 1900 de Paul Villard , cu singura descoperire a lui Bequerel, concepția antică a atomului ca fostă unitate invizibilă căzuse: atomii, sau cel puțin unii dintre ei, emiteau particule care alcătuiau atomii ei înșiși pentru că nu era posibil ca acestea să fie elementele de bază ale întregii lumi materiale. [4] [5]

În acei ani, Marie Sklodowski (mai târziu Marie Curie) a activat la Paris, care a devenit interesată de opera lui Bequerel în căutarea unui subiect pentru teza sa de doctorat la Sorbona . Marie Curie s-a concentrat pe aprofundarea studiului emisiilor din sărurile de uraniu, grație unui electrometru, un instrument inventat de frații Curie pentru a măsura curenți electrici foarte mici. Analizând mineralul pitchblende (deja cunoscut de Bequerel) într-un laborator chiar în afara Parisului, Marie și Pierre au ajuns la concluzia că uraniul nu ar putea fi singurul element emisiv din mineral, deoarece cantitatea de "raze Bequerel" nu este de acord cu simpla prezență a uraniului singur. Astfel, ei s-au dedicat muncii lungi de izolare chimică a celuilalt element activ de câteva tone de pitchblendă pe care o aveau la dispoziție. Astfel, poloniul a fost prezentat în 1898 Academiei Franceze de Științe, urmată câteva luni mai târziu de radiu . [5]

Tub de vid pentru raze catodice , de Braun - Muzeul tehnologiei științei Milano 13063

Între timp, în Anglia, la Laboratorul Cavendish din Cambridge , Ernest Rutherford nu a întârziat să experimenteze numeroasele tuburi cu raze catodice cu care a fost furnizat laboratorul datorită directorului său, Joseph John Thomson . Thomson a fost o referință pentru toată Europa în domeniul fizicii experimentale: pe lângă abilitățile sale neîndoielnice, a fost primul care a străpuns structura atomică identificând „corpusculi” (acum electroni ) cu o masă mult mai mică decât cea a întregului atom [9] . De fapt, fizicianul britanic a întâlnit electroni în timpul propriilor sale experimente pentru a determina natura interferenței luminii în interiorul unui tub cu raze catodice cu vid ridicat. [10] Din acest motiv, laboratorul a fost bine dotat cu echipamentele pe care Rutherford le va folosi. În acești ani, de fapt, el a dezvoltat metode de atenuare a puterii emisive a uraniului, reușind să protejeze în mod eficient particulele alfa prin intermediul foilor de aluminiu [5] . Una dintre marile sale descoperiri a venit în 1900, la doi ani după ce s-a mutat de la Cambridge la Universitatea din Montreal , Canada. Aici, cercetătorul din Noua Zeelandă, concentrându-se pe toriu, a descris pentru prima dată conceptul de viață medie, o caracteristică aparte a decăderii radioactive . [4]

Rutherford, de la Universitatea McGill , a colaborat și cu Frederick Soddy , chimist care a descoperit câțiva ani mai târziu (1911) diferiți izotopi ai elementelor radioactive (Soddy a introdus termenul „izotop” în 1913) [11] . Au realizat că toriul avea capacitatea de a se transforma spontan în diferite elemente, inclusiv radon , care a fost astfel adăugat la tabelul periodic . Importanța izotopilor a crescut odată cu invenția spectroscopiei de masă , o tehnică capabilă să facă măsurători foarte precise ale maselor atomice. Aceasta a permis lui Francis Aston , asistentul lui Thomson din 1909, să descopere peste 200 de izotopi produși de procese naturale. [5]

În același an, Rutherford a mers mai departe, atât de mult încât contribuția sa majoră a fost să demonstreze că atomii au un nucleu . În experimentul său, realizat împreună cu Hans Geiger și Ernest Marsden , a reușit să forțeze trecerea particulelor alfa printr-o folie subțire de aur (aleasă folosită pentru că era posibil să se obțină o placă foarte compactă), cu credința că aceste particule vor trece cu nici o abatere sau, cel mult, cu abatere neglijabilă [12] [5] . Spre surprinderea celor trei, unele particule (una în aproximativ 8000) nu numai că nu au trecut în linie dreaptă, dar au fost deviate în direcția opusă mișcării lor intrând în camera de nor. Rutherford a comunicat aceste rezultate la Manchester în 1911, anul în care se crede că a fost lansată concepția atomului ca sistem solar pe dimensiuni microscopice. [4]

Ernest Rutherford

Din motive valabile, Rutherford este definit ca „tatăl fizicii nucleare” [13] . De fapt, meritul său a fost să atragă în atenție protonii , evidențiați prin coliziuni între nuclee și particule alfa, și atomul de hidrogen , cel mai simplu element din existență. Hidrogenul l-a interesat pe Rutherford câteva luni, care l-a văzut angajat în multe încercări de a ataca nucleul, prin bombardarea cu particule alfa, fără a reuși: el a fost astfel obligat să deducă că în centrul atomului de hidrogen nu există altceva decât un proton. [5]

Această nouă dovadă, oricât de surprinzătoare ar fi fost, nu i-a lăsat pe fizicieni confortabili cu ipoteza structurii atomice. În principal au existat două nedumeriri, una derivată din încercarea de a readuce atomii în marele edificiu al fizicii clasice și cealaltă din datele experimentale. [5]

Niels Bohr 1935

Niels Bohr a remediat temporar prima dificultate în 1913, propunând ideea că electronii se învârteau în jurul nucleului central pe orbite precise de-a lungul cărora nu emit energie. A doua dificultate, pe de altă parte, se referea la măsurători corecte și repetate ale masei diferitelor elemente care, cu singura excepție a hidrogenului, erau aproape duble decât pretindeau teoriile. [5] Prin urmare, a apărut suspiciunea că nucleul atomic era compus din alte lucruri decât doar protoni și electroni (a căror masă, în plus, era ridicolă în comparație cu cea a protonului). [4] Măsurătorile de masă au sugerat că un alt tip de particule alcătuiau nucleul, dar acest lucru nu fusese încă observat în camerele de nor. James Chadwick a fost în 1932 cel care a obținut dovada particulei pe care a numit-o „ neutron ”, un nume datorat neutralității sarcinii electrice. Chadwick a reușit să bombardeze cu succes o placă de beriliu cu radiație alfa, din care particulele s-au separat și au provocat emisia de protoni din panoul de parafină . Deși camera de nor nu a identificat particulele care au lovit parafina, Chadwick a dedus indirect existența „gloanțelor” care au lovit-o în schimb.

Mână în mână cu aceste descoperiri, au apărut multe speculații teoretice care promiteau să dea seama de lumea atomică. De exemplu, în anii 1930, mulți fizicieni s-au întrebat care este rolul neutronilor în stabilitatea nucleului. Fizicianul japonez Hideki Yukawa a sugerat că protonii nu se resping reciproc datorită unei noi particule, pionul , care mediază interacțiunea nucleară puternică . [5] [14]

Dincolo de drumurile deschise spre înțelegerea materiei care ne înconjoară, descoperirea neutronului aduce și un mare potențial de dezvoltare din punct de vedere aplicativ. Atât de mult încât deja în 1940 fuseseră publicate o sută de articole tehnice. [15] Datorită studiilor lui Bohr, era deja cunoscută posibilitatea împărțirii unui element greu în două aproape egale în masă și el a sugerat deja că un astfel de proces, în cazul uraniului, ar fi favorizat mai degrabă în izotopul 235 decât în 238, care din păcate este cea mai abundentă în natură (99,7%). [11] Observații care au condus apoi la problema îmbogățirii uraniului pentru utilizare nucleară.

Enrico Fermi 1943-1949

În anii treizeci, Enrico Fermi și faimosul său grup de laborator din via Panisperna au efectuat o serie de experimente menite să investigheze proprietățile neutronilor. Potrivit lui Fermi, lipsa sarcinii electrice ar fi jucat un rol fundamental în reacțiile nucleare. De fapt, datorită studiilor efectuate pe neutroni lent (numiți și neutroni termici ), în 1938 Fermi a câștigat Premiul Nobel . [15] El a arătat cum încetinirea neutronilor a crescut probabilitatea procesului de captare a neutronilor , un rezultat deloc ciocnit dacă credeți că în imaginația clasică creșterea energiei unei particule crește în consecință probabilitatea ca aceasta să depășească o barieră energetică. . De fapt, multe tehnologii se bazează astăzi pe această proprietate, cum ar fi reactoarele care implică apă grea sau apă ușoară ( PWR ).

În 1939, Otto Hahn și Frantz Strassman bombardând uraniul cu neutroni au găsit bariul ca produs al reacției, element care are o masă egală cu jumătate din masa uraniului, iar fizicienii Frish și Meitner au dat naștere acestui fenomen numindu-l fisiune nucleară . luând terminologia din științele biologice. [15] Dar faptul remarcabil a fost că experimentele efectuate au constatat că cantitatea de energie eliberată în acest proces a fost cu câteva ordine de mărime mai mare decât energiile produse de orice altă reacție chimică. Fermi a avansat apoi ipoteza că neutronii ar putea fi emiși în proces [15] și, ca o cascadă, ideea de a fi capabil să exploateze dinamica procesului pentru a dezvolta un lanț de auto-susținere. [11]

Dar 1939 a fost și anul în care a izbucnit al doilea război mondial . Și descoperirea plutoniului în anul următor [11] , elementul copil al unei transmutații de uraniu-238 cu o masă critică mai mică decât același element părinte, a sugerat posibilitatea dezvoltării bombei atomice .

A fost într-adevăr o cursă a înarmărilor și, condusă de ideea că Germania angajează cercetători pentru a dezvolta arme nucleare, fizicienii nu numai americanii și-au unit forțele în proiectul secret cunoscut sub numele de „ Proiectul Manhattan ”. Și cercetările lor au condus în 1942 la Chicago Pile I , primul lanț de fisiune nucleară autosusținută. Tocmai în acești ani se poate spune că s-a născut ingineria nucleară, cu siguranță Robert Oppenheimer , Leò Szilard și Enrico Fermi s-au considerat fizicieni [16], dar legătura dintre tehnică și cercetarea de bază nu a fost niciodată atât de fierbinte, iar ceea ce făceau au stabilit fundamentele acestei noi discipline. [11] [15]

Pregătire tipică

Următorul este munca zilnică tipică inclusă în programele de inginerie nucleară din Statele Unite .

Pregătirea școlii

La fel ca în orice disciplină de inginerie, pregătirea școlară include exerciții de matematică prin elemente de calcul și cursuri introductive în fizică și chimie .

Licențiat în științe (în SUA)

Cursul începe cu o bază în mecanică și dinamică a mișcării particulelor, termodinamică , introducere în programare , nivel liceal în fizică și chimie și o pregătire matematică riguroasă prin ecuații diferențiale .

La jumătatea drumului, un inginer nuclear trebuie să aleagă o specializare în domeniu pe care o va studia ulterior. Următorul curs de studiu din programul de inginerie nucleară include mecanica fluidelor , fizica reactoarelor , mecanica cuantică , termohidraulică , circuite electrice liniare, efecte de radiații și transportul de neutroni .

Specializarea în fisiune include studiul reactoarelor nucleare, a sistemelor de fisiune și a centralelor nucleare . Primele învățături se referă la neutronică și termohidraulică pentru energia nucleară. Este absolut necesară o pregătire a sunetului în termodinamică și mecanica fluidelor, precum și în hidrodinamică .

Specializarea în fuziunea nucleară include electrodinamica și fizica plasmei . Această zonă este orientată în special spre cercetare.

Specializarea în medicina nucleară include cursuri de dozare și absorbție a radiațiilor de către țesuturile biologice. Cei care dobândesc cunoștințe în acest domeniu sunt de obicei angajați în domeniul medical. Mulți ingineri nucleari care au ales această specializare își vor continua drumul devenind medici nucleari autorizați sau vor merge la școlile medicale pentru a deveni oncologi . Cercetarea este, de asemenea, o alegere comună pentru absolvenți.

USS Virginia , un submarin de atac nuclear din clasa Virginia (SSN)

Școala Navală de Energie Nucleară

Marina Statelor Unite a sponsorizat un program numit Naval Nuclear Power School pentru a instrui atât ofițeri, cât și marinari să opereze cu energie nucleară. În timp ce unii ofițeri au studii în inginerie nucleară, mulți și-au obținut diplomele în alte discipline de inginerie. Mai mult, mulți dintre angajați nu au calificări de studii superioare. În ciuda acestui fapt, sunt pregătiți, printr-un program riguros (care durează de la 65 de săptămâni pentru mașiniștii stagiari la 18 luni pentru un tehnician electronic și electricieni stagiari), să opereze pe centrale nucleare și electrice la bordul submarinelor marinei și într-o carieră în aviație . Acest curs conduce la certificarea Departamentului Energiei , iar mulți marinari aleg să lucreze în centrale civile după terminarea proiectului lor de șase ani.

Domenii profesionale

Fisiune nucleara

Statele Unite obțin aproximativ 20% din energia electrică din energia nucleară. Este o industrie de masă, astfel încât instruirea unui număr mare de ingineri nucleari îi asigură stabilitatea. Inginerii nucleari din acest domeniu lucrează, în general, direct sau indirect în industria energiei nucleare sau în laboratoarele guvernamentale. Cercetările din industrie vizează în prezent producerea de reactoare cu standarde ridicate de siguranță, rezistente la radiații și viabile din punct de vedere economic. Deși laboratoarele guvernamentale sunt cercetate în aceleași domenii ca și în industrie, ele studiază, de asemenea, o multitudine de alte soluții, cum ar fi combustibilul nuclear , ciclul combustibilului nuclear, proiectarea avansată a reactoarelor și proiectarea armelor nucleare .

Camera țintă a Instalației Naționale de Aprindere (NIF)

Fuziunea nucleară și fizica plasmei

Domeniile de cercetare includ materiale rezistente la temperaturi ridicate și radiații și fizica plasmei. Din punct de vedere internațional, cercetarea se îndreaptă în prezent către dezvoltarea reactorului experimental ITER ( tokamak ). Cercetările privind ITER se vor concentra mai întâi pe fizica plasmei, subliniind în special posibilele instabilități în funcționare, iar apoi se vor concentra pe dezvoltarea tehnologică a componentelor pentru viitorul reactor DEMO . Cercetătorii americani construiesc, de asemenea, o mașină de închidere inerțială numită National Ignition Facility sau NIF.

NIF va fi utilizat pentru a rafina calculele neutronilor pentru inițiativa SUA privind utilizarea rezervelor. Trebuie remarcat faptul că fuziunea de închidere inerțială este cea utilizată pentru fabricarea bombelor H.

Diferența dintre tokamak (sau confinarea magnetică) și mașinile de confinare inerțială este legată de faptul că, în timp ce la prima plasmă care, datorită temperaturilor ridicate, nu poate fi în contact direct cu niciun material, este ținută în poziție de magnet, pe cealaltă mână în mașinile de confinare inerțială, plasma se autosusține datorită forțelor gravitaționale care acționează între atomii de hidrogen.

Medicina nucleară și fizica medicală

Un domeniu important este medicina nucleară. De la aparatele cu raze X la imagistica prin rezonanță magnetică la PET , printre altele, medicina nucleară se ocupă de multe dintre modalitățile moderne de diagnostic .

  • Imagine cu raze X a unui craniu uman

  • RMN-ul unui cap

  • PET efectuat cu un scaner ECAT Exact HR + PET

Materiale nucleare și combustibili nucleari

Cercetarea asupra materialelor nucleare se adresează în principal celor două domenii principale, combustibilii nucleari și modificărilor materialelor induse de radiații. Dezvoltarea combustibililor nucleari este crucială pentru obținerea unei eficiențe mai mari a reactoarelor nucleare. Studiile asupra efectelor radiațiilor au multe scopuri, de la studierea modificărilor structurale ale componentelor reactorului până la studierea nanomodificărilor metalelor și semiconductoarelor folosind raze ionizante sau acceleratoare de particule .

Măsurători de radiații

Inginerii nucleari și oamenii de știință radiologi sunt interesați să dezvolte metode mai avansate pentru detectarea și măsurarea radiațiilor ionizante și utilizarea acestora pentru a îmbunătăți tehnologiile de imagistică. Aceasta include, printre altele, proiectarea detectoarelor, fabricarea și analiza, măsurarea parametrilor fundamentali ai atomului și nucleului, sisteme de reprezentare a radiațiilor.

Notă

  1. ^ A b (EN) Inginerie nucleară , a Encyclopedia Britannica. Adus pe 13 mai 2019 .
  2. ^ MIT NSE: Întrebări frecvente , pe web.mit.edu . Adus pe 13 mai 2019 .
  3. ^ Jim Lucas, Ce este ingineria nucleară? , pe livescience.com , 9 septembrie 2014. Adus pe 8 mai 2019 .
  4. ^ a b c d e f g Bruce Cameron Reed, The History and Science of the Manhattan Project , Springer Berlin Heidelberg, 15 octombrie 2013, pp. 119–174, ISBN 9783642402968 . Adus pe 13 mai 2019 .
  5. ^ a b c d e f g h i j k Staguhn, Gerhard, 1952-, A Brief History of the Atom , Salani, 2011, ISBN 9788862562928 ,OCLC 724936509 . Adus pe 13 mai 2019 .
  6. ^ Istoria radiografiei , la nde-ed.org .
  7. ^ Istoria Medicinii: Razele X accidentale ale Dr. Roentgen | Departamentul de Chirurgie al Universității Columbia , la columbiasurgery.org . Adus pe 13 mai 2019 .
  8. ^ Alexi Assmus, Early History of X Rays .
  9. ^ (RO) JJ Thomson | Biografie, Premiul Nobel și fapte , pe Enciclopedia Britanică . Adus pe 13 mai 2019 .
  10. ^ Descoperirea radioactivității , la www2.lbl.gov . Adus pe 13 mai 2019 .
  11. ^ a b c d and History of Nuclear Energy - World Nuclear Association , la www.world-nuclear.org . Adus pe 14 mai 2019 .
  12. ^ (EN) Ernest Rutherford | Realizări, teorie atomică și fapte , pe Enciclopedia Britanică . Adus pe 13 mai 2019 .
  13. ^ The History of Nuclear Energy ( PDF ), la energy.gov .
  14. ^ Fizică și tehnologie nucleară - în interiorul atomului ( PDF ), pe iop.org .
  15. ^ a b c d e Capitolul 8 - Istoria energiei nucleare , DOI : 10.1016 / B978-0-12-812881-7.00008-3 . Adus pe 14 mai 2019 .
  16. ^ Jim Lucas, Colaborator în domeniul științei live | 9 septembrie 2014 01:41 AM ET, Ce este ingineria nucleară? , în Live Science . Adus la 17 mai 2019 .

Elemente conexe

linkuri externe

Controllo di autorità Thesaurus BNCF 21030 · LCCN ( EN ) sh85092968 · BNF ( FR ) cb11975767q (data) · BNE ( ES ) XX526467 (data) · NDL ( EN , JA ) 00562380
Estratto da " https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Ingegneria_nucleare&oldid=121860607 "