Estamos formando a nuevos especialistas para la operación del reactor nuclear peruano RP10, esta materia de Física de Reactores Nucleares, tiene tres partes: criticidad, flujo neutrónico y reactividad. Les comparto la primera parte. Son 10 participantes que son ingenieros electrónicos, químicos, mecánicos y físicos. Las materias que consta el curso están referenciadas con la guía del OIEA (organismo internacional de energía atómica).

1. 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”

2. 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)

3. CARACTERISITICAS NUCLEARES
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores3

4. APROXIMACION A CRITICO
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores4

5. DISTRIBUCION NEUTRONES
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores5

6. REACTIVIDAD
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores6

7. 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”;
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores7

8. ¿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

9. ¿Qué es la energía nuclear?
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores9
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

10. RP0
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores10

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

12. Fundamento físico
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores12

13. ¿Qué es el uranio?
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores13
uranita
Productores de uranio
Producción de combustible nuclear
FISIÓN
Mil camiones de 10Toneladas de Carbón1 kg de UranioFISION
200MeV

14. ¿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?
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores14
14

15. Problema fundamental
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores15
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

16. Ecuación de transporte de neutrones
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores16
Física de reactores es sobre todo el cálculo de la densidad o el flujo neutrónico

17. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores17
Ecuación de
transporte de
neutrones

18. Aproximaciones
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores18
Aproximación de una velocidad
Fuente de neutrones isotrópica
Dispersión isotrópica
Estado estacionario
Geometría unidimensional
Eq.
Transp

19. Aproximación de una velocidad
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores19
Física de reactores es sobre todo el cálculo de la densidad o el flujo neutrónico

20. Aproximación de difusión
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores20
«Ley de Fick»
Mc
Master

21. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores21
 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

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

23. 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

24. Mecanismo de Fisión
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores
Eq:
Q:
Ecr:
U:
Reacción nuclear
Energía culombiana
Energía crítica
Energía
potencial
24

25. Energía Crítica y Energía del último neutrón
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores
Fisiles
Fértiles
25

26. Neutrones y Masa de Fragmentos
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores
Fragmentos Reactor:
Guerra y Paz
26

27. Ref. Lectura
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores27

28. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores28 24 ANIV PC
RP10

29. Proceso de fisión en un reactor
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores29
Térmico Rápido

30. Ciclo de vida Kef = 1
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores30
Generación siguiente
No = 1000 Generación inicial
= 1040
= 900
= 720
= 620
= 495
= 1000 = N1
Kef = N1/No = 1
N1
DOEV2

31. Los 6 factores del ciclo de vida del neutrón
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores31
Fisión rápida
No-fuga rápida
Escape a la resonancia
No fuga térmica
Utilización térmica
Eta: fisión combustible

32. Factor de multiplicación
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores32

33. Cuatro factores
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores33

34. Factores
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores34

35. 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?
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores35

36. Significado de K
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores36
Fte. Neutrones
Aspectos de criticidad

37. 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)
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores
37

38. 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

39. 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
NUCLEO 2: FECHA: 26/11/1988 HORA: 11:44 horas
NUCLEO 3: FECHA: 26/11/1988 HORA: 15:33 horas
NUCLEO 4: FECHA: 28/11/1988 HORA: 10:20 horas
NUCLEO 5: FECHA: 28/11/1988 HORA: 15:40 horas
NUCLEO 6: FECHA: 29/11/1988 HORA: 10:01 horas
NUCLEO 7: FECHA: 29/11/1988 HORA: 14:01 horas
NUCLEO 8: FECHA: 29/11/1988 HORA: 10:36 horas
NUCLEO 9: FECHA: 30/11/1988 HORA: 15:41 horas
CRITICO FECHA: 30/11/1988 HORA: 17:45 horasA.Zuñiga 2017Fisica de Reactores39

40. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores40
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

41. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores41

42. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores42

43. Modelo a 2 grupos:
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores43

44. Reacción en Cadena
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores44

45. Neutrones: prontos y retardados
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores45

46. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores46

47. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores47
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

48. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores48

49. Combustibles
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores49
neutrones térmicos

50. Importancia de neutrones retardados
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores50

51. Ecuación de difusión
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores51

52. A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores52

53. Burnup vs consumo
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores53

54. Fragmentos de fisión
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores54

55. Trabajo práctico
A.Zuñiga 2017Fisica de Reactores55

56. FIN:
azuniga@ipen.gob.pe
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