nuclear energy and nuclear physicsenergetica si fizica nucleara

Comitetul Român de Istoria si Filozofia Ştiinţei şi Tehnicii (CRIFST)

Curs de initiere in istoria si filozofia stiintei

Seria a IX-a, 2015

Energetica si fizica nucleara

descoperiri, accidente, lectii ale naturiiDr.ing.Dan Serbanescu

Martie 2015

Dr.ing.Dan Serbanescu

http://lu.linkedin.com/in/danserbanescu1953http://independent.academia.edu/DANSERBANESCUwww.researcherid.com/rid/B-9590-2012http://www.researchgate.net/profile/Dan_Serbanescu/publicationshttp://danserbanescu-risk.net/

Energetica si fizica nucleara descoperiri, accidente, lectii ale naturii, Dr.ing.Dan Serbanescu Martie 2015

Comitetul Român de Istoria si Filozofia Ştiinţei şi Tehnicii (CRIFST) Curs de initiere in istoria si filozofia stiintei Seria a IX-a, 2015



Continut

• De ce avem nevoie de energie nucleara

• Ce este energia nucleara

• Analiza evolutiei fizicii si energeticii nucleare

(trei metode : istoricizanta, tip expert, paradigmatic)

• Previziuni pentru viitor



Se pare ca anumite lucruri se repeta si,

din pacate,

cele importante se repeta in rau…..

Evaluation of nuclear science and nuclear energy technology

•considered as a process to achieve knowledge on various aspects for the given object,

•its phases and specific paradigms, for which the dominant characteristics of certain phases and future trends are of high interest.

Comparative method to consider three groups of possible approaches:

•historical review,

•expert review,

•a structural paradigm method

The goal is to better identify, in a more refined and systematic manner aspects related to the phases of sciences and their specific paradigms and trends for change.



Știința si tehnologia nucleară și învățămintele etapelor sale

Etapele din știința și tehnologia nucleară - obiect de studiu și metode de analiză

• Obiectul de studiu prezentat în aceasta lucrare este un caz particular al științei și tehnologiei, cea referitoare la domeniul nuclear, privită ca o acumulare de cunoștințe cu rol de a îndeplini anumite funcții.

• Evaluarea unor aspecte asupra acestor cunoștințe, cum ar fi:

O1 - elementele dominante caracteristice anumitor etape sau O2 - tendințele viitoare și posibile acțiuni de susținere.



Tabel comparativ al rezultatelor cu diverse metode pentru obiectul de studiu

(Impact: S=scazut; M=Mediu; R=ridicat)

RMMSCapacitatea de a identifica puncte slabe si de a face predicții

E

RMMS

Există răspunsuri la:”De ce și cum s-a întâmplat că

energetica nucleară a evoluat așa cum se poate

documenta în informații și la ce ar trebui să ne

așteptăm în continuare?”

D

RMMM

”Sisteme conexe” (societate, moștenire culturală) sunt considerate importante:” Ce ar trebui să facă

alte sisteme decît cea definită de știință, în acest

studiu de caz (știința și tehnologia în domeniul

nuclear) ca să avem răspunsuri acceptabile după o

metrica a succesului pentru toate cerințele de un

anumit tip- de ex de tip O1 și O2?”

C

RMMSInter și transdisciplinaritatea sunt considerate importante pentru obiectul de studiu.

B

RMMMSincronia si diacronia între elemente (naționale/intenaționale ale obiectului de studiu) sunt analizate si puse în evidență

A

PASCUMIM și EM

COMBINAT

EMIMCRITERIU DE EVALUARE REZULTATE ANALIZĂ





The liberal arts - arts or skills that in considered in classical antiquityessential for a free person to know in order to take an active part in civic life

•participating in public debate, •defending oneself in court, •serving on juries or military service.

The core liberal arts•Grammar,•logic, and•Rhetoric

while• arithmetic,• geometry, • the theory of music, and • astronomy

also played a lesser part in education



In modern times, liberal arts education interpretation is not unique

It can refer to•literature,•languages,•art history,•music history,•philosophy,•history,•mathematics,•psychology•science.

It can also refer to studies on a liberal arts degree program. For example, Harvard University offers a Master of Liberal Arts degree, which covers

•biological •social sciences •humanities.

In any interpretation Liberal art refers to matters not relating to the curricula•professional,•vocational, •technical

1. Is engineering (nuclear) part of the reactor physics (nuclear ) physics scientific environment?

2. And if not what is going on and how is that explained?

3. What next expects us if it is so?

We will come back to this!



By 2040 an expanded nuclear fleet has saved almost 4 years of current CO2 and for some countries has improved security of energy

supply

Net capacity in key regions 2013-2040 - IEA outlook 2014



Power capacity by source 2013-2040 – IEA outlook 2014



EU CASE



Why nuclear?

Video of IAEA



Prezentarea generala

a

fizicii si energeticii nucleare

Nuclear reactor physics is the branch of science studying application of chain reaction to induce a controlled rate of fission in a nuclear reactor for the production of energy.

Nuclear reactors use a chain reaction to induce a controlled rate of nuclear fission in fissile material, releasing both energy and free neutrons.

A reactor consists of an assembly of •nuclear fuel (a reactor core), •usually surrounded by a neutron moderator

•light water,•heavy water,•graphite, or•zirconium hydride,

•mechanisms such as control rods that control the rate of the reaction.

The physics of nuclear fission affects the design and behavior of nuclear reactors.



Nuclear physics is the field of physics that studies the

constituents and interactions of atomic nuclei.

The most commonly known applications of nuclear physics are

• nuclear power generation and

• applications infields like•nuclear medicine

•magnetic resonance imaging

•nuclear weapons

•ion implantation in materials engineering

•radiocarbon dating in geology and archaeology.

The field of particle physics evolved out of nuclear physics and is typically

taught in close association with nuclear physics.



Nuclear engineering and technology that studies the implementation of

nuclear physics and reactor physics in real plants

Nuclear system in a country assumes a certain minimal infrastructure:

•Research and design

•Operation and maintenance

•Utility and licensee in the NPP process

•Public and industry

•National and international components

•International treaties

On the other side nuclear field is a technology area





Nuclear engineering is a technology so technology features apply to it, too.



Elemente constitutive ale fizicii si energeticii nucleare

Reactor theory and nuclear theory

1. Basic reactor theory2. Neutron theory related to reactor – properties, life cycle etc3. Reactor kinetics4. Reactor dynamics –control, regulation, stability5. Thermodynamics of NPP and heat transfer in reactor and othe

important components of NPP6. Physical and chemical reactions in reactor and NPP, materials7. Research reactors and special installations to be used with

reactors (accelerators etc)8. Non stationary reactors (space propulsion etc)9. Turbines for NPP10. Steam Generators for NPP11. Radiation protection for nuclear reactors and installations12. Construction, sitting general layout and nuclear plant theory13. Nuclear power plants components – manufacturing, operation 14. NPP operation 15. NPP safety and risk analyses16. NPP and fuel cycle economics





Manuale Teoria Reactorilor Nucleari Exemple

Abordare clasica……………………………………… Gleston si Edlund

Abordare standard actuala standard DOE……. Standard DOE

Abordare pregatire tip vestic “saxon”……….... Manual tip vestic “saxon”

Abordare pregatire tip rusesc……………………. Manual tip rusesc

Abordare pregatire Romania…………………….. Prof Berinde Fac Fizica

Prof Purica UPB, Prof Margarit Pavelescu, dr.I Cuculeanu

Abordari diferite ale aceluiasi subiect – caz particular personal

•studentie,

•doctorat,

•pregatire operator reactor ,

•autorizare conform standarde si

•analize risk cercetari si probleme speciale (noi reactori, CS, SES)



Elemente de detaliu despre fisiune



Despre fisiune (1)



Despre fisiune (2)



Despre fisiune (3)



Despre fisiune (4)



Despre fisiune (5)



Despre fisiune (6)



Despre fisiune (7)



Despre fisiune (8)



Nuclear fission and fusion

How does it work?

Video of science web

Despre fisiune (9)



Modele ale fisiunii

Despre fisiune (10)



Review of the reactor physics and nuclear energy engineering using three approaches

•Historical•Expert review type•Paradigm evolution type



Review of evolution of reactor physics and nuclear physics

- Historical approach-

•Short sample list – international

•Short sample list – Romania



Chicago Pile-1 (CP-1) the world's first artificial nuclear reactor(1)

•The construction of CP-1 part of the Manhattan Project, and carried out by the Metallurgical Laboratory at the University of Chicago. •It was built under the west viewing stands of the original Stagg Field. The first man-made self-sustaining nuclear chain reaction was initiated in CP-1 on 2 December 1942, under the supervision of Enrico Fermi. •Fermi described the apparatus

•as "a crude pile of black bricks and wooden timbers." •it was made of a large amount

•of graphite and uranium, •with "control rods" of cadmium, indium, and silver, •and unlike most subsequent reactors, it had no radiation shield or cooling system.



Chicago Pile-1 (CP-1) was the world's first artificial (2)

On 2 December 1942, CP-1 was ready for a demonstration. Before a group of dignitaries, George Weil worked the final control rod while Fermi carefully monitored the neutron activity. The pile "went critical" (reached a self-sustaining reaction) at 15:25. Fermi shut it down 28 minutes later.After the chain reaction was observed, Arthur Compton, head of the Metallurgical Laboratory, notified James Conant, chairman of the National Defense Research Committee, by telephone. The conversation was in an impromptu code:

Compton: The Italian navigator has landed in the New World.Conant: How were the natives?Compton: Very friendly.

Unlike most reactors that have been built since, CP-1 had no radiation shielding and no cooling system of any kind. Fermi had convinced Arthur Compton that his calculations were reliable enough to rule out a runaway chain reaction or an explosion. But, as the official historians of the Atomic Energy Commission later noted, the "gamble" remained in conducting "a possibly catastrophic experiment in one of the most densely populated areas of the nation



•The F-1 is a research reactor operated by the Kurchatov Institute in Moscow, Russia. When started on December 25, 1946, it became the first nuclear reactor in Europe to achieve a self-sustaining nuclear chain reaction.

•It is still in operation, with a power level of 24 kW, making it the world's oldest operating reactor

24 kWtCapacity factor

41kg of 2% enriched uranium

Tertiary fuel

46411kg of natural uranium metal

(UO2and U33O8)

Primary fuel

Power generation

RussiaReactor supplier

Graphite PileReactor type



•The ZEEP (Zero Energy Experimental Pile) reactor was a nuclear reactor built at the Chalk River Laboratories near Chalk River, Ontario, Canada (which superseded the Montreal Laboratory for nuclear research in Canada).

•ZEEP first went critical at 3:45 PM, September 5, 1945. ZEEP's main international significance is its status as the first operational nuclear reactor outside of the United States.NRX and Zeep buildings, Chalk River Laboratories, 1945

•The reactor was designed by Canadian, British and French scientists as a part of an effort to produce plutonium for nuclear weapons during World War II.



•ZEEP was instrumental in the development of the NRX and NRU reactors, which led to the development of the successful CANDU reactor.•ZEEP was used to test reactivity effects and other physics parametersneeded for reactor development at Chalk River Laboratories, including fuel lattices for the NRU reactor situated next door.

•ZEEP was one of the world's first heavy water reactors, and it was also designed to use natural (unenriched) uranium; a feature carried through to the CANDU design. Uranium enrichment is a complex and expensive process; thus, the ability to use unenriched uranium gave ZEEP and its descendants a number of distinct advantages.•ZEEP continued to be used for basic research until 1970.It was decommissioned in 1973 and dismantled in 1997. In 1966 ZEEP was designated a historic site by Ontario, and commemorated with an historic plaque. Both this plaque and ZEEP itself are now on display at the Canada Science and Technology Museum in Ottawa, Canada



Exemplu de submarin atomic cu reactori cu apa usoara



Exemplu de centrala nucleara comerciala cu reactori cu apa usoara



CNE Cernavoda – centrala CANDU



Generatiile urmatoare ale reactorilor si

centralelor nucleare

Gas-Cooled Fast Reactor



Molten Salt Reactor

Lead-Cooled

Fast Reactor



Sodium-Cooled Fast Reactor



Supercritical-Water-Cooled Reactor



Very-High-Temperature Reactor






- Expert approach- (1)

Short sample list – Romania



Cap 4 teza doctorat Dan Serbanescu 1987

Review of evolution of reactor physics and nuclear physics - Expert approach-(2)



Oare de ce au triumfat in anii ’60-’70 si au ramas preferate centralele nucleare racite cu apa

usoara?

Poate pentru ca:

Oare de ce acum discutam de reactori cu gaze, saruri topite etc?

Poate din aceleasi motive …..

O explicatie posibila:

Evolutia este haotica si guvernata de alte criterii decat cele

tehnologice, cum ar fi militare, economice….

SAU POATE CA…….

Vezi slidul

urmator




Paradigm type approach

Exista unele structuri generale care apar pentru astfel de sisteme complexe

De la pagina anterioara



CHICAGO PILE 1942-1943 OKLO GABON CCA 2 BLN YEARS AGO

Nuclear fission reactors – human made and nature made…..



WHAT DOES THE NATURE / OR WHOEVER SAYS ABOUT NUCLEAR REACTORS?

Some thoughts trigerred by Oklo reactor (1)

•Optimal power level•Diffusion of wastes•Criticality and algae CAS•Universal constants challenged (alpha) more reactor and neutronic studiess needed

Oklo case and nuclear future



WHAT DOES THE NATURE / OR WHOEVER SAYS ABOUT NUCLEAR REACTORS?

Some thoughts trigerred by Oklo reactor (2)

•Safety is achieved better for simple CS•CAS & Mandelbrot fractals for ES•Optimum for CS at each hierarchical level•Intrinsic safety – expected target as this is the nature lesson•CAS may mean also use of biological systems for fuel cycle•Universal constants challenged (alpha) –fundamental shakes to quantum mechanics



Paradigm approach – details - PASCUM



Rene Descartes, Discours sur la methode, 1637

PASCUM trăsături de bază (1)

•Stiința și tehnologia nucleară formează, pentru evaluări de tipul O1 și O2 din cazul analizat, același corp de cunoștințe. Pentru sistemul știință – tehnologie nucleară se consideră faptul că ele evoluează dupa anumite reguli (cercetare, dezvoltare si trecerea la noi abordări).

•Fiecare etapă constituie o paradigmă separată fiind guvernată deanumite teorii, metode și alte caracteristici (societate, mediu cultural etc) dominante.

•Definirea obiectului de studiu și a metodelor de analiză necesită o abordare dublu triadică, ce constă în utilizarea a două grupe de metode (fiecare din trei componente)

•una pentru obiectul de studiu și •alta pentru metodologia utilizată pentru acest obiect de studiu.




Aceste două triade definesc un spațiu mai rafinat al obiectului de studiu și al soluțiilor, care indică necesitatea de a răspunde unor întrebări, care detaliază O1 și O2, și se referă la:

•Sincronia si diacronia între elemente (naționale / intenaționale ale obiectului de studiu – fizica și tehnologia nucleară);

•Inter și transdisciplinaritatea în evaluarea răspunsurilor O1 și O2, cu exemplificări din studiul de caz ales;

•”Alte sisteme conexe” (societate, moștenire culturală si știința)– altele decat tehnologia nucleara care au impact asupra lor.






PASCUM cuprinde trei etape:

• Dezvoltarea unui model al sistemului știință – tehnologie nucleară

• Dezvoltarea caracteristicilor specifice pentru știință –tehnologie

• Analiza structurilor generate la pașii anteriori.

Principalelele caracteristici ale fazelor istoriei unei științe (4)

Nevoia de neînfrânat de a atinge noi niveluri de perfecțiune și înțelegere, ca o cauză continuă, latentă, de reîncepere a întregului proces de la zero.

Încercarea continuă de a rezolva probleme nerezolvate și de a extinde cunoașterea

9-I

Existența și / sau introducerea / modificarea de ierarhii și conexiuni între diversele teorii ale unei științe conduc către nevoia de a avea unelte cât mai bune de gestionare a edificiului.

Gestionarea cunoștințelor acumulate

8-H

Cunoașterea absolută și cea relativăÎncercarea de a unifica metode pentru obținerea unor rezultate mai bune

7-G

Fiecare teorie trebuie să aibă un grad de utilitate în cadrul științei respective și al societății

Rafinarea cunoștințelor dobândite și imbunătățirea eficienței utilizării lor

6-F

Fiecare fază definită în cheie istorică a respectivei științe este alimentată de anumite convingeri / credințe și intuiții

Identificarea principalelor convingeri care impiedică evoluția

5-E

Durabilitatea unui element metodologic (teorie etc) așa cum rezultă din robustețea sa la paradoxuri

Verificarea stabilității elementelor definitorii pentru știința respectivă - teorii etc.

4-D

Crearea unei noi științe / revolutționarea uneia existente ca fiind guvernată de o abordare din trei- unghiuri de vedere (posibil – imposibil - probabil)

Dezvoltarea principalelor ‘unelte’3-C

Baza științei(lor) şi a trăsăturilor sale / lor ca o abordare duală

Clarificarea diferențelor 2-B

Avem o sursă unică de cunoaștereDefinirea necesității1-A



Elemente ale metodologiei descrierii etapelor în știință•Parcurgerea acestor etape duce la construirea unei matrici de tranziție și generare a spațiului topologic al cunoașterii pentru aceste cazuri analizate•Trecerile multiple ale procesului de cunoaștere generează in opinia autorului structuri de genul celor reprezentate alaturat.•Reprezentarea triadică inițială a obiectului de studiu și a metodologiilor de utilizat conduce la unele aspecte importante pentru evaluarea rezultatelor acestor spații topologice ale cunoașterii dintr-o perspectivă nouă asupra inter și pluri disciplinarității. •Rezultatul acestor tranziții efectuate de un număr foarte mare de ori, pentru diverse convingeri și paradoxuri date, sunt diverse spații topologice





Notațiile K(i) se referă la o anumită fază de acumulare de cunoștințe, p(i) reprezintă probabilitatea de trecere dintr-o fază în alta, iar T(i) se referă la operatorul de tranzițtie dintr-o

structură de cunoaștere în alta.

•Pot exista diverse tipuri de cunoaștere, care pot coexista cu concepte privind diverse abordări asupra unor tipuri de civilizație•Relația dintre componentele triadei obiectului de studiu (mit, realitate, artă) menționate anterior.•Relațiile de convergență sau intersecție dintre aceste elemente ale triadei cunoașterii.



•Există de asemenea unele consecințe interesante, care confirmă similitudini considerate de interes pentru studiul ulterior al metodei, legate de legătura dintre structura de cunoaștere si spațiile topologice generate de rezultatele cunoșterii.

•De asemenea un rezultat important este că există diverse tipuriposibile de poliedre și / sau spații topologice ce se obțin:

•cu suprafețe pe exterior doar (poliedre / varietăți goale) •sau poliedre / varietăți pline și care pot fi asimilate unor tipuri de cunoaștere specific anumitor civilizații, în funcție de ce aspecte dominante erau utilizate de către acestea pentru rezolvarea de paradoxuri (cele mitice, cele artistice).

•Se poate astfel vorbi de cunoașteri cu similitudini cu cele antice (ale unor societați dirijate de artă sau mit), cu cele dominate de știință, cu cele renascentiste, raționaliste etc



În urma etapei I PASCUM se obțin reprezentări ale unei topologii de tipul celei reprezentate mai jos, care se încadrează unui ansamblu global al întregii societăți.Și astfel, pornind de la reprezentarea inițială a stărilor posibile pentru un sistem știință și tehnologia nucleară în general, se trece la etapa a II a PASCUM. In etapa a doua a metodologiei se rafinează stările generate pentru un astfel de sistem în funcție de tipul chestionarelor cu criterii de definire a paradigmelor pentru o etapă dată.

Reprezentarea unei topologii a cunoașterii pentru un sistem condus / dominat de știință





Criterii de analiză a paradigmelor unei etape în știință

MTOTAL IMPACT AGREGAT AșTEPTATC

SPARTICIPAREA ALTOR ELEMENTE LA NIVEL INTERNATIONALB3

MPARTICIPAREA SOCIETĂTII NIVEL GLOBALB2

RASUPRA DOMENIULUI INSUșIB1

MURMĂRI PREVIZIBILE ALE PARADIGMEIB

SEXISTENTĂ SCHIMBURI GLOBALE șTIINTĂ / TEHNOLOGIEA5

SSUSTINERE SOCIAL/ECONOMICA A șTIINTEI PT SUPORT TEHNOLOGICA4

MRELEVANTA șTIINTIFICĂ/TEHNICĂA3

RIMPACT DE CONSOLIDARE SISTEM GLOBAL EXISTENTA2

MNOUTATE/CREATIVITATE ÎN DOMENIUA1

RTRĂSĂTURI ALE PARADIGMEIA

TRĂSĂTURI CARACTERIZARE PARADIGMĂ – exemplu

TEHNOLOGIE

STIINTA





Accidente nucleare, lectii si paradigme



Curba tehnologica



Spatiul tehnologiei



Laws of low doses – linearity or not at low values of doses

Basic constants - alpha

New technologies

Unknowns of the future

Social or economical pressure

Elemente de considerat pentru scenariile viitoare ale fizicii reactorilor si fizicii

nucleare



Where does mankind go?

Quo Vadis Domine?



Kardashev scale civilization levels

One million yearsEnergy on the scale of its own galaxy

4×1028III

Few thousands yearsEnergy radiated by its own star

4×1017II

Existing Earth level cca 4×103 possible to reach type I in 100-200 years

Solar insolation to earth

4×104 -4x105I

CommentsLevel of used energyTerawattsType



1012Energy used in one year per capita U.S.

1013Energy to put the space shuttle in orbit

1014E = mc2 of 1 gram

1018Severe earthquake (Richter 8)

1019Exploding volcano (Krakatoa)

1023Cretaceous-Tertiary extinction theory meteorite

1033Earth moving in orbit

Group III Natural phenomena / significant human achievements

1014Thunderstorm

1016Exploding volcano (Krakatoa)

1023Energy available from earth's fossil fuels

1016Burning a million tons of coal

1017Yearly solar emission

1015Fission one ton of Uranium

1017100-megaton H-bomb

1031D-D fusion energy possible from worlds oceans

Group II Energy sources

1044Supernova explosion

1068Creation of the Universe

Group I Cosmic level



Mankind future and nuclear energy Carl Sagan

Multumesc si un ultim mesaj:• Omul trebuie sa Calculeze, sa Simta si sa Viseze in egala masura in prcesul cunoasterii.

•Cred ca singura formula care ne poate asigura un viitor este sa contam pe aceasta triada a cunoasterii



nuclear energy and nuclear physicsenergetica si fizica nucleara

Documents