REACTORES_CSEN.pp.pdf
- 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
- 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
- 14. Tipos de Interacción: Modelo Estándar
- 16. Energía de Ligazón de los nucleones
- 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
- 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.
- 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
- 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