REACTOR NUCLEAR RP10 Y FISICA DE REACTORES EN EL IPEN-PERU

EL REACTOR NUCLEAR RP10
FISICA DE REACTORES NUCLEARES EN EL PERÚ
Dr. Agustin Zúñiga Gamarra
Subdirector de Operación de Reactores Nucleares
Instituto Peruano de Energía Nuclear (IPEN-Perú)
19-21 de setiembre de 2016
UMSA-La Paz - Bolivia

Neutrones en el reactor nuclear - RP10
INSTITUTO PERUANO DE ENERGÍA NUCLEAR
A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 2

INVITACIÓN
1. La física de reactores nucleares en
el IPEN-Perú. Una visión
experimental
2. La experiencia con el reactor
nuclear RP10 del Perú.

Contenido
1. Los reactores nucleares
1. Fundamentos físico
2. Centrales nucleares
3. Reactores de investigación
2. La física de reactores nucleares
1. Problema
2. Antes de la PES, Durante la PES, Comercial (visión
experimental)
3. La experiencia con el reactor nuclear del Perú (RP10).
1. El reactor nuclear RP0
3. Ejemplos de trabajos en FR con el RP10

Fuente: http://www.fiumsa.edu.bo/sobofi/radiaciones.html

TEMAS
1. El IPEN
a. Estructura orgánica
b. Video
c. Otros
2. El reactor nuclear
a. Reactor nuclear de investigación
b. El reactor nuclear central
c. La fuentes de neutrones
3. Accidentes
a. Accidentes nucleares
b. Accidente de Fukushima
c. De la Guerra a la Paz
4. Usos
a. La producción de radioisótopos (A.
robles, iridio)
b. El análisis multielemental (P.Bedregal)
c. Dosimetría neutrones (SEGURIDAD)
5. Educación
a. La Educación con los RR
b. El RP0
c. La física nuclear para iniciantes o
practicantes
d. Los practicantes
6. La física de reactores
a. Criticidad
b. Reactividad
c. Distribución de neutrones
d. Seguridad
e. Combustibles
7. Perspectivas:
a. Extensión de vida
b. Modernización
c. Utilización
Fin
Lima, 17 de Setiembre de 2016

Contenido
1. Los reactores nucleares
2. La física de reactores nucleares
1. Problema
experimental)
3. La experiencia con el reactor nuclear del Perú (RP10).
3. Ejemplos de trabajos en FR con el RP10

1. LOS REACTORES NUCLEARES

Fundamento físico

¿De qué está hecha la materia?
A.ZuñigaUMSA-BOLIVIA 10
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 10 Toneladas 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

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

Mecanismo de Fisión
A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA
Eq:
Q:
Ecr:
U:
Reacción nuclear
Energía culombiana
Energía crítica
Energía
potencial
13

Energía Crítica y Energía del último neutrón
Fisiles
Fertiles
14

Neutrones y Masa de Fragmentos
Fragmentos Reactor:
15

Aspectos físicos
Tema 8
Nuclear

¿Qué ocurrió en la fisión?
Caso:
Fisión del
Toda vez que se alcanza regiones de mayor
B, se libera energía
A menores lleva a FUSIÓN
A mayores lleva a FISIÓN
FUSIÓN
FISIÓN
IAEA -
RPhysics

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)

Ref. Lectura

REACTORES NUCLEARES DE
INVESTIGACIÓN
Dr. Agustín Zúñiga
ASOCIACIÓN DE PROFESIONALES NUCLEARES DEL PERÚ
Lima, Agosto 2012
Encuentro Científico Internacional, Agosto 2012

¿Qué es esta construcción?

Preguntas
• ¿Qué es un reactor nuclear de investigación
(RNI)?
• ¿En qué se utilizan?
• ¿Cómo están los RNI en el mundo?
• ¿Hacia donde se orientan los RNI?
22A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA

23
USO DE LOS RNI
• Alimentación y
Agricultura
• Medicina
• Industria
• Hidrología
• Medioambiente
• Análisis por Activación
Neutrónica
• Gamas prontos
• Neutrografía
• Difracción de neutrones
• BNCT
• Geocronología
• Ciencia de materiales
• Dosimetría

25
EL RNI RP10 (Caso Perú)
Sala Experimental
Cúpula del RP10
Potencia: 10 MW
Columna térmica
Haz de neutrografia
Tubo neumático

26
Consola del RP10
Boca de Tanque y
Pileta Auxiliar
Núcleo Reactor
Posiciones de Irradiación

27
Distribución del número de reactores de investigación para
países industrializados y en desarrollo.
Distribucion de Reactores de Investigación
6 14
38
155
283
324 327
314
288
257
220
190190
0 0 0
18
41
55
73 79 86 89 84 8686
6 14
38
173
324
379
400 393
374
346
304
276276
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Años
NúmerodeRI
Industrializados En desarrollo Total

28
Distribución de países que poseen reactores de
investigación en operación
Distribución de Paises con RI
3% 4%
5%
1%
7%
21%
19%
9%
5%
26%
Canada
Alemania
Francia
Reino Unido
Japón
Federación Rusa
Estados Unidos
China
Otros Industrializados
Otros en Desarrollo

29
Distribución de la edad de los RI en operación

¿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?
30

Partes de una central BWR
• Combustible nuclear (C)
• La turbina (T)
• Generador eléctrico (G).
• Condensador (K)
• bombas (P)
• Vasija que contiene el
núcleo (V).
• Moderador y refrigerante
(M)
• Elementos de control (D).
A.Zuñiga 31UMSA-BOLIVIA

Funcionamiento central BWR

Centralesenelmundo
Ref.

34
438 En Funcionamiento
Adnpp

Energía
nucleoeléctrica
Country Total MW
USA 99,784
France 58,493
Japan 38,875
Germany 22,657
Russian Federation 19,843
Canada 15,755
Ukraine 12,679
United Kingdom 11,720
Sweden 10,002
Republic of Korea 8,170

2. LA FÍSICA DE REACTORES
NUCLEARES
1. Problema
experimental)

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
A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 41Física de reactores es sobre todo el cálculo de la densidad o el flujo neutrónico

Aproximación de difusión
«Ley de Fick»
Mc
Master

Aspecto experimental (PES)

Magnitudes experimentales
De acuerdo a la vida del reactor (Antes de la PES, Durante la PES y Posterior a la PES
(comercial)):
1. Voltaje de trabajo
2. Tiempo muerto del detector
3. Masa crítica
4. Primera configuración crítica
5. Flujo neutrónico
6. Factores de pico
7. Potencia neutrónica
8. Valor en reactividad de barras de control
9. Coeficientes de reactividad
10. Evolución del veneno
11. Tiempo muerto de la configuración
12. Quemado del combustible
13. Dosis neutrónica
14. Evaluación de reacciones nucleares para la
producción de radioisótopo

Ejemplos de trabajos:
45
1. Distribuciones
2. Reactividades
3. Quemados
4. Dosis
5. Tasas de reacciones
1.2 Factor de Pico y Potencia
1.1 Carta de Activación
1.3 Distribución Tubo Tangencial
2.2 Tiempo Muerto
2.1 Tiempo Máximo de Veneno
3.1 Medicion de Quemado
4.1 Dosis de Neutrones por
Huellas Nucleares
5.1 Producción de Iridio 192
Monitores de Activación
Flujo Neutrónico

OTAN: Reglamento LEY 28028
Lista de informes presentados para la
modificación de una configuración
nuclear

Descripción del Reactor

Equipamiento
Espectrometría gama
EXP1.ID IN
INF. PCTE
EXP2. SNM

Detectores de neutrones (cadena de
arranque : cámaras de fisión)
Contadores de fisión (canal de arranque)

Cadena de arranque:
CA1
CA2
CA3
Cadena de marcha
Indicadores
convencionales

Consola del reactor
PSI (panel superior izquierdo)
PSC (panel superior central)
PSD (panel superior derecha)
PII (panel inferior izquierdo)
PIC (panel inferior central)
PID (panel inferior derecha)
CAP 8. INST CONT

3. LA EXPERIENCIA CON EL REACTOR
NUCLEAR DEL PERÚ (RP10).

Aproximación a la Educación con el Reactor
Nuclear RP0. (Cuzco, 23-26-Nov- 20015)
Reactor nuclear RP0 –IPEN-PERÚ
SIMPOSIO INTERNACIONAL SOBRE EDUCACIÓN, CAPACITACIÓN Y GESTIÓN DEL CONOCIMIENTO EN
ENERGÍA NUCLEAR Y SUS APLICACIONES
A.Zuñiga
UMSA-BOLIVIA
54

Figura 6. El núcleo del reactor RP0, dispone de sistema de posicionamiento
neumático y manual de muestras. Facilidades para estudios con detectores de
neutrones y física de reactores.

Problema: débilmente integrado a la
educación
El RP0 débilmente integrado a la educación
Facilita el cierre
Pobre uso
Poco interés por
conocimiento nuclear
Poco impacto
en la sociedad
Estudiantes con limitada
preparación experimental
materias nucleares poco
experimentales
Pocos
clientes
Inadecuados
productos
Insuficiente
instrumentación
Insuficientes
materiales
Insuficientes
especialistas
Opción 1 Opción 2 Opción 3 Opción 3 Opción 4
A.ZuñigaUMSA-BOLIVIA
58

1. Hallazgo de la fuente radioactiva
2. Identificación de un sistema nuclear de
medición (SNM)
3. Calibración en energía del sistema
4. Determinación de la eficiencia del SNM
5. Medición del periodo de semidesintegración
de una fuente radiactiva
6. Medición de la actividad absoluta de un
radioisótopo
A.Zuñiga 59UMSA-BOLIVIA
Experimentos:

Figura 14. Resultados de la medición de la actividad del radioisótopo producido en
el reactor, (a) condiciones de irradiación y contaje del radioisótopo, (b)
determinación de la eficiencia para la muestra (In-116), (c) determinación de la
actividad del radioisótopo. (Experimento 6)
E6)

Boletín MIRADOR NUCLEAR
A.ZuñigaUMSA-BOLIVIA
61

Referencia: Exp1-FN-RP0

Física Nuclear
1. Características de una cadena nuclear
2. Medición de voltaje de trabajo
3. Estadística nuclear
4. Medición del tiempo muerto
5. Medición del periodo de semidesintegración
6. Medición de efecto compton, fotoeléctrico y producción
de pares
7. Medición de eficiencia de fotopico
8. Medición de actividades absolutas
9. Espectrometría gamma
10. Medición de secciones eficaces
11. Medición de efecto compton

Física de Reactores
1. Características de detectores del reactor
2. Medición de voltaje de trabajo
3. Medición de tiempo muerto
4. Medición de eficiencia
5. Medición de masa crítica
6. Medición de reactividad por periodo
7. Medición de flujo neutrónico
8. Producción de radioisótopo
9. Medición de espectro neutrónico
10. Medición de dosis neutrónica
11. Medición de potencia del reactor
12. Medición de coeficientes de reactividad

EXPERIENCIAS

Calibración del multicanal
Análisis de espectrometría gamma
Determinación de la eficiencia de fotopico
Espectro gamma

EL REACTOR NUCLEAR RP10
Características básicas: Combustibles, Flujos, Aplicaciones, Actuales y
Perspectivas

Figura 3. Esquema de un reactor nuclear de investigaciones: el núcleo, facilidades de irradiación dentro
del núcleo y externas, sistemas de refrigeración, consola de mando para la operación y la contención.
RP10

Consola del RP10
Boca de Tanque y
Pileta Auxialiar
Núcleo Reactor
Posiciones de Irradiación

72
EL RNI RP10 (Caso Perú)
Sala Experimental
Cúpula del RP10
Potencia: 10 MW
Columna térmica
Haz de neutrografia
Tubo neumático

Planta de producción de radioisótopos
Pasadizo caliente: se recoge los
blancos irradiados en el
reactor
Celdas de trabajo

74
¿Qué hace el RP10?
Producción de
Radioisótopos
Análisis por
Activación
Neutrónica
Educación y
Entrenamiento
Investigación y
Desarrollo en
Ciencias
Nucleares y
Materiales
Radiografía
Neutrónica
RP10

Figura 4. Matriz de usos de un reactor nuclear de investigación. (E&T: educación y entrenamiento, NAA:
análisis por activación neutrónica, PGNAA: … por gamas prontos; IP: producción de radioisótopos;
Geocronología; Efectos de transmutación; Imagen con neutrones; dispersión neutrónica; fuente de
positrones; BNCT: terapia por captura de neutrones en boro: ensayos)

Tabla 1. Utilización de los
reactores de investigación
en la actualidad, [3]
Tipo de aplicación
Número de
reactores de
investigación
involucrados (a)
Número de
estados
miembros con la
facilidades
utilizadas
Educación y entrenamiento 172 54
Análisis por activación
neutrónica
125
54
Producción de radioisótopos 94 45
Irradiación de materiales 75 29
Radiografía neutrónica 71 40
Dispersión de neutrones 50 33
Transmutación (dopado de
silicio)
31
20
Geocronología 25 21
Terapia por captura de
neutrones en boro (incluyendo
investigación y desarrollo)
23
13
Transmutación (gemas) 22 13
Otros (b) 126 31
(a) De los 273 reactores de investigación considerados, 248 estuvieron operativos, 15
en parada temporal, 4 en construcción y 6 planeados.
(b) Otras aplicaciones incluyen: calibración y ensayo de instrumentos y dosimetría;
experimentos de blindajes; experimentos de física de reactores; mediciones de data
nuclear; y turismo para público y seminarios. Fuente: IAEA Base de datos de reactores
de investigación (marzo 2011)

Matriz de utilización en los RIN
1. Educación y entrenamiento
2. NAA
3. Producción de radioisótopos
4. Geocronología
5. Transmutación de Si
6. Radiografía neutrónica
7. Estudios de estructura de materiales
8. AAN con gamas prontos
9. Fuente de positrones
10. Terapia por captura de neutrones
11. Ensayos
RP10
IAEA

Producción de RI
A. Robles
IAEA

Reacciones nuclear básicas en la PRI
IAEA
• Energía del neutrón
• Flujo neutrónico
• Blanco
• Sec. Transv. Reacción
Factores Reac. Nuclear

PRODUCCIÓN 1990 - 2010

IAEA

Activación neutrónica
React.
Inv.

Activación neutrónica
P. Bedregal

Descripción del Reactor

U3O8-Al : OXIDO U3SI2-Al : SILICIURO
Flujo térmico: 1.5 x 10E14 (Central)
(Cálculo: núcleo 41)
Flujo térmico: 1.9 x 10E14 (central)
( +3 posiciones similares al central anterior)

CON NUEVOS ELEMENTOS COMBUSTIBLES DE SILICIURO
CAJA
CENTRAL

NUCLEO 41: Actual
Flujo máximo: 1.5 x 10E14
n/cm2/s

TRABAJOS EJEMPLOS
• Características nucleares (voltaje trabajo, tiempo muerto detector)
• Aproximación a crítico (primer crítico, ahorro por reflector)
• Distribución de neutrones (indicadores, flujo neutrónico, potencia,
factor pico)
• Reactividad (tiempo muerto, veneno, quemado)
• Otros (geocronología, neurografía, Iridio-192, burnup, dosis
neutrónica)
• Educación con RR, Accidentes nucleares, Educación RP0, Practicantes
RP10, Huellas nucleares alfa, De la Guerra a la Paz.

TEMAS
1. El IPEN
a. Estructura orgánica
b. Video
c. Otros
2. El reactor nuclear
a. Reactor nuclear de investigación
b. El reactor nuclear central
c. La fuentes de neutrones
3. Accidentes
a. Accidentes nucleares
b. Accidente de Fukushima
c. De la Guerra a la Paz
4. Usos
a. La producción de radioisótopos (A.
robles, iridio)
b. El análisis multielemental (P.Bedregal)
c. Dosimetría neutrones (SEGURIDAD)
5. Educación
a. La Educación con los RR
b. El RP0
c. La física nuclear para iniciantes o
practicantes
d. Los practicantes
6. La física de reactores
a. Criticidad
b. Reactividad
c. Distribución de neutrones
d. Seguridad
e. Combustibles
7. Perspectivas:
a. Extensión de vida
b. Modernización
c. Utilización
Lima, 17 de Setiembre de 2016

EL IPEN
VIDEO 1: IPEN (imágenes, poco volumen)

EL REACTOR NUCLEAR

Ejemplos de trabajos:
95
1. Distribuciones
2. Reactividades
3. Quemados
4. Dosis
5. Tasas de reacciones
1.2 Factor de Pico y Potencia
1.1 Carta de Activación
1.3 Distribución Tubo Tangencial
2.2 Tiempo Muerto
2.1 Tiempo Máximo de Veneno
3.1 Medicion de Quemado
4.1 Dosis de Neutrones por
Huellas Nucleares
5.1 Producción de Iridio 192
Monitores de Activación
Flujo Neutrónico

CARACTERISITICAS NUCLEARES

APROXIMACION A CRITICO

DISTRIBUCION NEUTRONES

REACTIVIDAD

USOS
Dosis
neutrónica
Parámetros
CR39
Neutrografía
GeocronologíaA.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 100

EDUCACIÓN
Video: parte 1

ACCIDENTES NUCLEARES

PERSPECTIVAS:
I. Modernización del reactor y sus sistemas auxiliares, incluido el cambio de
combustibles.
II. Incremento de uso (nacional o internacional)
III. Ampliación de vida útil, gestionando el envejecimiento de sistemas,
estructuras y componentes.
IV. Mejoramiento de la seguridad integral (nuclear, física, radiológica,
salvaguardias, etc.)
V. PER 1015: Mejoramiento de Seguridad y Utilización del RP10
(mercado, plan de usos, difusión, mantenimiento, envejecimiento,
calidad, cultura de seguridad)
VI. ARCAL (2016-2107: 012): Calificación de personal para reactores
de investigación (Regional, usando RP10 y RP0)

http://www.slideshare.net/acuchozuniga/bie
nvenida-a-alumnos-de-fsica-en-la-universidad
http://www.slideshare.net/acuchozuniga/e
slabon-perdido-el-boson-de-higgs

BOLIVIA Y PERU HACIA ATENEA
Bandas de diabladas es su emblema tradicional
Olor a oro y plata dice su historia encomiable
Los colores de su bandera recuerdan a Incas o Aymaras
Invocando con ello respeto y compromiso con sus raíces
Venimos motivados por compartir conocimiento nuclear
Invitados por la cortesía fraternal de colegas físicos
Amantes de la docencia e investigación rigurosa e integral
La ciudad de Nuestra Señora de la Paz nos espera
Aman la paz y la hermandad desde su cuna
Perú y Bolivia compartieron entrañas con Pachacutec el Líder
Ahora con historia y corazón exigen mar propio
Zares del dinero y la corrupción saquearon sus riquezas
Universidades e institutos de investigación unámonos
Manejemos nuestros saberes locales lanzándolos al mundo
Sumémonos a la ciencia de frontera resolviendo nuestros problemas
Andinos y amazónicos somos, es nuestra geografía reto y ventaja
Portemos el estandarte de la ciencia desde la infancia
Entremos en morenada por la puerta grande a la era del conocimiento
Rompiendo las cadenas de atávicas jerarquías y paradigmas
Uniendo corazón, tecnología, y mente encontraremos atajos a la gloria de Atenea

Fin
Muchas Gracias
azuniga@ipen.gob.pe
agustinrzuniga@gmail.com

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