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1. REACTORES NUCLEARES
REACTORES NUCLEARES
Instituto Peruano de Energía Nuclear
Mg. Juan AVILA LOPEZ
E-Mail:javila@ipen.gob.pe

2. El ATOMO Y SU ESTRUCTURA

3. En la antigüedad se aceptaba que la materia estaba
constituida por 4 elementos undamentales
F
u
e
g
o
T
i
e
r
r
a
Aire
Agua

4. DEMÓCRITO
Filosofo Griego (460 a.C. 370 a.C.), desarrolló la
teoría atómica del universo.
• Según la teoría atómica de la materia de Demócrito,
todas las cosas están compuestas de partículas
diminutas, indivisibles e indestructibles de materia
pura (en griego atoma, 'indivisible'), que se mueven
por la eternidad en un infinito espacio vacío (en
griego kenon, 'el vacío').
• La aparición y desaparición de las cosas son el
resultado de agrupación y separación de los
átomos.
HISTORIA TOMICA

5. El átomo
núcleo

6. NUCLEO ATOMICO
PROTONS y NEUTRONES

7. El átomo

8. Transiciones electrónicas
en el átomo

9. Transiciones electrónicas en el
átomo de Hidrógeno

10. Espectro electromagnético
1 Å = 10-10 m

11. El átomo
Núcleo

12. Elementos del protón y neutrón
Protón Neutrón

13. Estructura atómica

14. Tipos de Interacción: Modelo Estándar

15. Desintegración Radiactiva

16. Energía de Ligazón de los nucleones

17. La Fisión
Neutrón
U_235

18. Fisión y Fusión Nuclear
FISION
FUSION
Neutrones

19. Por el otoño de 1938 los científicos Alemanes Otto Hahn y
Fritz Strassmam bombardearon uranio con neutrones de un
fuente de radio-Berilio, encontrando elementos mucho más
pequeños que el uranio en el material que realizaban el
experimento. Hahn y Strassman comunicarón a la física
austriaca Lise Meitner en Copenhagen antes de publicar su
descubrimiento. Meitner trabajaba con Niels Bhor y su
sobrino Otto R. Frisch quienes detectaron bario y otros
elementos en los materiales que fue bombardeado con
neutrones, en consecuencia Otto Hahn, Lise Meitner y Fritz
Strassmann fueron los primeros en reconocer que el uranio
al ser bombardeado con neutrones, éste se fraccionaba en
fragmentos, es decir fisionaba.
DESCUBRIMIMIENTO DE LA FISION

20. La Fisión

21. La Fisión

22. La Fisión

24. Proceso de la Fisión
Núcleo Neutrones
físil Neutrón Produtos emitidos Rayos-gamma
incidente de fisión prontos
γ Rayos-gama de decaímento
Anti-neutrinos β− Partículas beta negativas
ν
γ
n
Y
I
n
U 3 1
0
93
39
140
53
1
0
235
92 +
+
+
+
→
+
ν

25. Barrera de Fisión

26. ENERGIA CRITICA
DE FISION (MeV)
ENERGIA DE
LIGAZON (MeV)
NUCLEO
COMPUESTO
NUCLEO
ENERGIA CRITICA DE FISION

27. PROCESO DE LA FISION
Emisión de ~ 2,5 neutrones Reacción
(en promedio) en cadena
Fisión Fuente de
nuclear energía
Liberación de ~ 200 MeV Energía
(en promedio) elevada

28. RENDIMIENTO DE LA FISION

29. Características importantes de la fisión nuclear
• Valor promedio de la energía total liberada en la fisión de un núcleo de
235U por un neutrón térmico:
• Resultados análogos son para 239Pu y 233U
200 MeV
ENERGIA TOTAL DE LA FISION
11 MeV
Energía de los anti-neutrinos
5 MeV
Energía de los rayos gama de
decaimiento de ls fragmentos de fisión
5 MeV
Energía de los rayos beta
7 MeV
Energía de los rayos-gama prontos
5 MeV
Energía cinética de los neutrons emitidos
167 MeV
Energía cinética de los fragmentos de
fisión

30. Calculos para producción de Energía
Se parte que por cada fisión de un átomo de U235 se produce en promedio 200 MeV
Entonces para producir un Joul se necesita : 1 Joul=3.125 x1010 átomos de U235
Si se consume 3.125x1010 átomos de U235 en un segundo, tiene la energía de
1 Joul/s.
De la definición de Watt. (1 Watt = 1 Joul/s)
Para producir 1 MW (106 watt ) se necesita 3.125x1016 átomos de U235
Para tener el U235 en unidades de masa se considera la relación :
Si 6.023 x 1023 átomos de U235 es 235.48 g. de U235
3.125 x 1016 átomos de U235 cuantos X ? g. de U235 Será ?
Calculado se tiene que 3.125 x 1016 átomos de U235 es 1.22x10-5 g. de U235
200 MeV x 106
M
e
V
M
e
V
M
e
V
M
e
V
e
V
e
V
e
V
e
V
x 1.6x10-19
e
V
e
V
e
V
e
V
J
o
u
l
J
o
u
l
J
o
u
l
J
o
u
l
= 3.2 x10-11 Joul , energía producida por un átomo de U235

31. Calculos para producción de Energía
Es decir para producir un MW (en un segundo
de tiempo) de potencia se necesita:
1.22x10-5 g. de U235.
Para producir un MW durante todo el día (86400
segundos: Un día) se necesita : 1.05 g. de U235
Considerando que la eficiencia de una central
nuclear en promedio para transformar potencia
térmica en potencia eléctrica es de 45 %
(depende de la tecnología) se tiene que para
generar un MWe/d se necesita: 2.33 g. de U235.

32. Un reactor nuclear es un Dispositivo
en donde se produce la FISION
NUCLEAR de modo controlada y
autosostenida.
¿Que es un Reactor Nuclear?

33. REACTOR PERUANO DE 10 MW
REACTOR PERUANO DE 10 MW
R P 10
R P 10

34. HUARANGAL

35. NUCLEO DEL RP10

36. NUCLEO DEL RPO

37. NUCLEO DE UN REACTOR EN FUNCIONAMIENTO

38. COMPONENTES DE UN REACTOR NUCLEAR

39. • Combustible: Isótopo físil Uranio-235, Plutonio-239, Uranio-233.
• Moderador: Agua ligera, Agua Pesada, Grafito, sodio Metálico: Cumplen
con la función de frenar la velocidad de los neutrones producidos por la
fisión, para que tengan la oportunidad de interactuar con los átomos físiles.
• Refrigerante: Agua,agua pesada,anhidrido carbónico, helio, Sodio metálico:
Conduce el calor generado hasta un intercambaidor de calor.
• Reflector: Agua, agua pesada, grafito: Reduce el escape de neutrones y
aumenta la eficiencia del reactor.
• Blindaje: Hormigón, Plomo, acero, agua: Evita la fuga de la radiación y
neutrones rápidos.
• Material de control: Cadmio, Boro, Indio, Plata: Hace que la reacción en
cadena se pueda controlar. Son muy buenos absorbentes de neutrones.
• Materiales estructurales: Hormigón, estructura para contener el núcleo del
reactor. Acero, para la estructura de los combustibles, Aluminio estructura
de conbustible de reactores de investigación.
Componentes principales de un Reactor nuclear

40. PROCESO DE LA FISION
Neutrones emitidos
Combustible
Nuclear
Moderador
Desacelera los
neutrones
Material absorvedor
de neutrones Combustible Nuclear
Fisión

41. Nucleos físiles
• 235U (0,72 % del uranio natural)
• 239Pu (no existe en la naturaleza) → captura radiactiva
de un neutrón por el 238U:
• 233U (no existe en la naturaleza) → captura radiactiva
de un neutrón por el 232Th.
• Los nuclídos 238U y 232Th son denominados fértiles.
Pu
Np
U
)
γ
,
n
(
U 239
d
36
,
2
T
;
239
min
5
,
23
T
;
239
238 2
/
1
2
/
1




 →






 →

=
β
=
β −
−
U
Pa
Th
)
γ
,
n
(
Th 233
d
0
,
27
T
;
233
min
3
,
22
T
;
233
232 2
/
1
2
/
1




 →






 →

=
β
=
β −
−

42. Características importantes de la fisión nuclear inducida por
neutrones
• Sección eficaz captura neutrónica para la fisión del 239Pu en función de
la energía cinética del neutrón incidente.

43. 235U 239Pu
233U
Nucleos físiles

44. Propiedades de los nucleos físiles para fisión por neutrons térmicos
2,08 ± 0,02
2,07 ± 0,01
2,28 ± 0,02
η = ν
ν
ν
ν / (1+ α
α
α
α)
0,39 ± 0,03
0,18 ± 0,01
0,101 ± 0,004
α = σcr / σf
2,89 ± 0,03
2,44 ± 0,02
2,51 ± 0,02
ν
ν
ν
ν
(9,6 ± 0,5) b
(15 ± 2) b
(12 ± 3) b
σe
(286 ± 4) b
(101 ± 5) b
(53 ± 2) b
σcr
(742 ± 4) b
(577 ± 5) b
(525 ± 4) b
σf
(1028 ± 8) b
(683 ± 3) b
(578 ± 4) b
σa
239Pu
235U
233U
Propriedades
1b = 10-24 cm2

45. Reacción nuclear de fisión en cadena auto-sostenida
•
Siendo k denominado factor de multiplicación
• Segun el valor de k, un sistema puede ser clasificado como:
k < 1 → sistema subcrítico
k = 1 → sistema crítico
k > 1 → sistema supercrítico
1
precedente
generacon
una
en
fisiones
de
Número
generacion
una
en
fisiones
de
Número
k ≥
=

46. FACTOR DE MULTIPLICACION
• Fórmula De los seis factores:
• donde:
• η → número meio de nutrones emitidos por cada nêutron absorvido
• ε → fator de fisión rápida
• p → probabilidad de escape a la ressonancia
• f → utilización térmica =
• → fracción de escape de neutrones rápidos
• → fracción de escape de neutrons térmicos
)
-
(1
)
-
(1
f
p
k t
f l
l ⋅
⋅
⋅
⋅
ε
⋅
η
=
térmicos
neutrons
de
total
Absorción
uranio
el
en
térmicos
neutrones
de
Absorción
f
l
t
l

47. Proceso del Combustible Nuclear
U3O8

48. Pastillas de UO2

49. Elementos Combustibles

50. Tipos de reactores nucleares de fisión
LWR: Light Water Reactors (Reactores de Agua Ligera): Utilizan como Refrigerante y
Moderador el agua. Como Combustible uranio enriquecido.
PWR: Pressure Water Reactor ( Reactores de Agua a Presión).
BWR: Boiling Water Reactor (Reactores de Agua en Ebullición)
CANDU: Canada Deuterium Uranium (Canadá Deuterio Uranio): Utilizan como Moderador y
Refrigerante Agua pesada (compuesta por dos átomos de deuterio y uno de oxígeno).
Como Combustible utilizan uranio natural.
FBR: Fast Breeder Reactors (Reactores Rápidos Realimentados): Utilizan neutrones
rápidos en lugar de térmicos para la consecución de la fisión. Como Combustible utiliza
plutonio y como Refrigerante sodio líquido.
AGR: Advanced Gas-cooled Reactor (Reactor Refrigerado por Gas Avanzado): Usa uranio
como combustible. Como Refrigerante utiliza CO2 y como moderador grafito.
RBMK: Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny (Reactor de Canales de Alta Potencia): Su
principal función es la producción de plutonio, y como subproducto genera electricidad.
Utiliza grafito como Moderador y agua como Refrigerante. Uranio enriquecido como
Combustible.

51. USOS DE LOS REACTORS
¿Para que sirve Reactor de Investigación?
• Conocer más acerca de la interacción de la radiación con
los materiales.
• Investigar acerca del comportamiento de los neutrones en
un reactor nuclear.
• Analizar materiales por técnicas no destructivas.
• Producir radioisótopos de uso medicinal e industrial.
• Investigar fenómenos físicos a nivel del átomo y sus
núcleos
• Desarrollar criterios de seguridad y radioprotección.
• Aprender sobre el manejo de reactores.
• Docencia en el área de la Ingeniería Nuclear y la Física.
• Conocer mejor el comportamiento de los reactores en
general.

52. USOS DE LOS REACTORS
• Los reactores de investigación tienen
facilidades de irradiación donde se colocan las
muestras a irradiar.
• Algunas de estas facilidades son posiciones
libres dentro del núcleo donde puedo colocar el
experimento.
• Otras facilidades son conductos, ya sea llenos de
aire o algún material específico, que conducen
los neutrones hacia el lugar o sala de
experimentación.

53. USOS DE LOS REACTORS

54. USOS DE LOS REACTORS

55. USOS DE LOS REACTORS

56. USOS DE LOS REACTORS

57. Centrales nucleoelétricas de Brasil

58. Centrales nucleoelétricas de Brasil

59. Fertilizer Association of Ireland
GRACIAS