FISICA DE REACTORES NUCLEARES : PARTE 1 - CRITICIDAD

DR.AGUSTÍN ZÚÑIGA GAMARRA
Huarangal, 4 de Setiembre de 2017
azuniga@ipen.gob.pe
FISICA DE REACTORES NUCLEARES
PROGRAMA DE FORMACIÓN DEL PERSONAL NECESARIO PARA LA OPERACIÓN DEL
REACTOR NUCLEAR “RP-10”

Contenido
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores2
Parte I (Criticidad)
 Reacción en cadena
 La fórmula de los 4
factores
 Factores de
multiplicación
 Reactividad y efectos del
moderador, reflector y
refrigerante;
 Neutrones prontos y
retardados (impacto en
el control del reactor);
 Neutrones retardados y
fracciones de neutrones
retardadas;
 Aproximación a la
criticidad;
 Definiciones de “crítico”
y “prompt crítico”;
Parte II (Flujo neutrónico)
 Flujo de neutrones cerca al
crítico o prompt crítico;
 Período estable y tasa relativa
de cambio de flujo;
 Definiciones de "estacionario",
"transitorio" y
"comportamiento de
transición";
 Flujo de neutrones y la potencia
del reactor;
 Medición del flujo neutrónico;
 Cambios en la densidad del
moderador y del reflector sobre
el flujo de neutrones;
 Distribución del flujo
neutrónico sobre el;
Parte III (Reactividad)
• Reactividad por temperatura;
• Coeficientes de reactividad y el
consumo de combustible;
• Comportamiento del reactor
crítico y subcrítico en los
distintos rangos de potencia;
• Envenenamiento por xenón
• Control de reactores,
absorbedores quemables y
elementos de control ;
• Monitoreo del comportamiento
del reactor subcrítico o crítico;
• Fuente de neutrones (propósito
y efecto);
• Balance de reactividad
(tratamiento cualitativo), exceso
de reactividad y margen de
parada;
• Conducción de experimentos de
criticidad
Parte IV (Ejercicios)

CARACTERISITICAS NUCLEARES

APROXIMACION A CRITICO

DISTRIBUCION NEUTRONES

REACTIVIDAD

Parte I: CRITICIDAD
Reacción en cadena
La fórmula de los 4 factores
Factores de multiplicación
Reactividad y efectos del moderador, reflector y refrigerante;
Neutrones prontos y retardados (impacto en el control del reactor);
Neutrones retardados y fracciones de neutrones retardadas;
Aproximación a la criticidad;
Definiciones de “crítico” y “prompt crítico”;

¿De qué está hecha la materia?
A.Zuñiga 2017
Fisica de Reactores8
Griegos:Aristóteles Hoy:ATOMOS
Núcleo
Protones
Neutrones
Electrones
Ejercicio:Parte una tiza en dos 29 vecesDe qué tamaño es el átomo:
0.00000001 cm

¿Qué es la energía nuclear?
Núcleo (Energía Nuclear): Electrones (Reacciones Químicas):
Mil camiones de 10Toneladas de Carbón1 kg de Uranio
13 eV
Universo
Energía Materia 2
cmE 
(Masa: m)(Masa: m=0)
1000000 eV
Huéspedes
p
n
Incomodidad
(Reacción
Nuclear)
Energía
Materia
FISION

RP0

11
Consola del RP10
Boca de Tanque y
Pileta Auxialiar
Núcleo Reactor
Posiciones de Irradiación
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores

Fundamento físico

¿Qué es el uranio?
uranita
Productores de uranio
Producción de combustible nuclear
FISIÓN
Mil camiones de 10Toneladas de Carbón1 kg de UranioFISION
200MeV

¿Qué es Una central nuclear?
¿Cómo funciona una central nuclear?, ¿Cuántas centrales hay en el mundo?, ¿Cuál es el tiempo de vida de un reactor?,
¿Cuál es el país que mas energía eléctrica nuclear utiliza?, ¿Cuáles son las centrales de Japón?, ¿Qué es la potencia de
una central?, ¿Cuáles son las perspectivas de los nuevos diseños de centrales?, ¿Qué tiempo se demora en construir una
central nuclear?
14

Problema fundamental
Conocer (calcular o medir), para cualquier instante, t,
las características de la población neutrónica que se
extiende en una región, que contiene una arbitraria
pero conocida mezcla de materiales. La cantidad
principal, entonces, es la densidad neutrónica.
Densidad neutrónica

Ecuación de transporte de neutrones
Física de reactores es sobre todo el cálculo de la densidad o el flujo neutrónico

Ecuación de
transporte de
neutrones

Aproximaciones
Aproximación de una velocidad
Fuente de neutrones isotrópica
Dispersión isotrópica
Estado estacionario
Geometría unidimensional
Eq.
Transp

Aproximación de una velocidad
Física de reactores es sobre todo el cálculo de la densidad o el flujo neutrónico

Aproximación de difusión
«Ley de Fick»
Mc
Master

 Uso de neutrones a partir del proceso de fisión para iniciar otras
fisiones!
 1942: Fermi logra la primera reacción en cadena auto sostenida.
• Para la bomba nuclear, se
necesitó mas de un
neutrón en el primer
evento de fisión para
causar un segundo
evento.
• Para una planta nuclear
de potencia, se necesita
menos de un neutrón
para causar un segundo
evento.
Reacción en Cadena

OTTO HAHNN Y LISE MEITNER
22 A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores

Fisión: Proceso
 Neutrón térmico colisiona con un núcleo de 235U para formar un estado excitado que
decae en dos núcleos mas pequeños (+ neutrones) + ENERGY!
 Ejemplo: 235U + n  92Kr + 142Ba + 2n + 180 MeV
 (238U no interviene!)
235U no podría fisionar si
no es “golpeada” por un
neutrón.
T8 FNuclear
23

Mecanismo de Fisión
Eq:
Q:
Ecr:
U:
Reacción nuclear
Energía culombiana
Energía crítica
Energía
potencial
24

Energía Crítica y Energía del último neutrón
Fisiles
Fértiles
25

Neutrones y Masa de Fragmentos
Fragmentos Reactor:
Guerra y Paz
26

Ref. Lectura

A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores28 24 ANIV PC
RP10

Proceso de fisión en un reactor
Térmico Rápido

Ciclo de vida Kef = 1
Generación siguiente
No = 1000 Generación inicial
= 1040
= 900
= 720
= 620
= 495
= 1000 = N1
Kef = N1/No = 1
N1
DOEV2

Los 6 factores del ciclo de vida del neutrón
Fisión rápida
No-fuga rápida
Escape a la resonancia
No fuga térmica
Utilización térmica
Eta: fisión combustible

Factor de multiplicación

Cuatro factores

Factores

Ciclo de vida de un neutrón
• ¿El neutrón térmico qué camino sigue
hasta que vuelve a ser térmico?
• ¿ Si al inicio hay N1 neutrones y al final
hay N2: cómo se define la razón: N2/N1?
• ¿Cuándo se daría la situación para que en
todo tiempo: N2 = N1?
• ¿ Qué es crítico, o supercrítico, o
subcrítico?
• ¿Qué es la MULTIPLICACIÓN?

Significado de K
Fte. Neutrones
Aspectos de criticidad

K = 1.001, l = 10E-4 s
t = 1s
22000 veces
Importancia de los
neutrones retardados.
Capacidad de controlarlo.
np: 10E-15 s
nr: 0.2 a 55 s (0.65% U235)
37

Experimento de Aproximación a Crítico
Fuente
A B C D E F G H I J
1 TN002 NG 004 PI 001 NG 027 PI002 NG 012
2 NG005 NN006 NN005 NN007 NC011
3 CF 002 PI003 NC002 NN001 NC003 PI 004
4 NG 007 NN013 NN002 PI005 NN003 NN015 NG 013
5 NG006 NN014 NC004 NN004 NC005 NN016 NG 022
6 PI006 NN008 NN009 NN010 PI 007 CF003
7 NG 010 NN011 NC006 NN012 NG 023
8 NG 008 PI 008 NG 028 PI009 NG 020
9 CF 001 PI010
10
Detector
Combustible
......
32
 efefef kSkSkSSTotal
S n/s
kef
kef :Factor de multiplicación efectiva de la configuración
  MSkkkSContaje efefef ....1
32

 efkM  1
1
Subcríticok
coSupercrítik
Críticok
ef
ef
ef
:1
:1
:1



CONFIGURACIÓN DEL NÚCLEO
M (U235)
1/C
m1 m2 m3 mcrit
Masa crítica
estimada
0
si Kef1 entonces 1/C 0
A.Zuñiga 2017
Fisica de Reactores
38

Primera puesta a
crítico del RP10
PRIMERA PUESTA A CRÍTICO DEL RP10
COLUMNA TERMICA
A B C D E F G H I J
1
2
NN006 NN005 NN007
3
CF2
BS2
NC02
NN001
BC1
NC02
4
NN013 NN002
PI
FN
NN003
5
NN014
BC2
NC02
NN004
BS3
NC02
6
NN008 NN009 NN010 CF3
7
NN011
BS1
NC01
NN012
8
CF1
9
10
CONDUCTO TANGENCIAL
NN NC
NUCLEO 1: FECHA: 25/11/1988 HORA: 15:00 horas
CRITICO FECHA: 30/11/1988 HORA: 17:45 horasA.Zuñiga 2017Fisica de Reactores39

El equipo de Física de Reactores, estuvo
presidida por la Licenciada en Física Srta.
Maria Teresa Bang (q.e.d), y lo integrábamos:
A. Zúñiga, J.Avila, J. Lamas y E. Cerrón

Modelo a 2 grupos:

Reacción en Cadena

Neutrones: prontos y retardados

Neutrones retardados
< 1% de los neutrones de fisión
Rol central en la operación del reactor.
Se originan por decaimiento beta de ciertos
fragmentos de fisión.
Kr87 tiene 51 neutrones un mas que el número
mágico 50 y la energía de ligadura del 51netron
es un poco menor que 5.1 MeV
Los niveles de 5.4 MeV puede luego
decaer por la emisión de un neutrón
con energía cinética de casi 0.3 MeV.
J. Lamarsh

Combustibles
neutrones térmicos

Importancia de neutrones retardados

Ecuación de difusión

Burnup vs consumo

Fragmentos de fisión

Trabajo práctico

FIN:
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FISICA DE REACTORES NUCLEARES : PARTE 1 - CRITICIDAD

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