noções de física nuclear - social.stoa.usp.br · 1 reator nuclear ipen/mb-01. ipn0025 –...
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1
Reator Nuclear IPEN/MB-01.
IPN0025 – Física de Reatores: Experimentos no Reator
Nuclear IPEN/MB-01
Tópicos:
1. Noções de Física Nuclear2. Ciclo de Nêutrons3. Cinética de Reatores
Dr. Ulysses d’Utra BitelliDr. Renato Kuramoto
Noções de Física Nuclear
• A Descoberta do Nêutron;• Decaimento Radioativo;• Carta de Nuclídeos;• Fissão Nuclear;• Energia Liberada por Fissão;• Energia Recuperada por Fissão;• Calor de Decaimento.
Slide 2
Descoberta do Núcleo
A partir dos resultados dos experimentos de Geiger e Marsden (1911), Rutherford foi obrigado a configurar o átomo como formado de minúsculo núcleo, no qual a sua carga positiva e quase toda a sua massa estivesse concentrada com seus elétrons um pouco afastados.
Rutherford, Ernest (1871-1937)
2
Emissão de um fótonCom energia E=hν
Aumento deenergia
Modelo Atômico de Bohr
Modelo atômico proposto por Niels Bohr em 1913
Postulados:
• Os elétrons que circundam o núcleo atômico existem em órbitas com níveis de energia quantizados;
• As leis da mecânica clássica não são válidas em transições eletrônicas;
• Em uma transição a diferença de energia é emitida (ou suprida) por um simples quantum de luz (fóton);
• As órbitas permitidas dependem de valores quantizados.
Niels Bohr (1885-1962)
Nêutrons
Descoberta do Nêutron
James Chadwick(1891-1974)
Irène (1897-1956) e Frédéric (1900-1958) Joliot-Curie
Radiação-γ
PrêmioNobelEm 1932:
Em 1932: nCBe +→+ 126
94α
Descoberta da Fissão Nuclear
Enrico Fermi (1901-1954)
Irène (1897-1956) e Frédéric (1900-1958) Joliot-Curie
Fritz Strassmann (1902-1980)Lise Meitner (1878-1968) Otto Hahn (1879-1968)
−β9392 94 95
−β −βUrânion
5692
Urânion Análise
Química
Bário
1938-Fissão nuclear1944-Prêmio Nobel
Em 1934:
Em 1935:
3
1942 – Chicago Pile 1
Decaimento Radioativo
decaimento de cte.==− λdt
NdN
dt; te t entre decaíram que núcleos de n. +=− dN
Lei fundamental: “A probabilidade por unidade de tempo de um dado núcleodecair é uma constante”.
t; tempono amostra da núcleos de n.=Nonde:
Integrando a equação acima: teNtN λ−= 0)(
teAtA λ−= 0)(Atividade:
BqCi 1010 107.3segundo
sdecaimento107.31 ×=×=Unidades:
)()( tNtA λ=onde:
Decaimento Radioativo
4
Decaimento Radioativo
Meia Vida T1/2: Intervalo de tempo cuja atividade (ou número de átomos) se reduz à metade.
λλ
λλ
2ln.2ln
21.
22/12/1
2/12/10
0
=⇒=
=⇒= −−
TT
eeNN TT
Vida Média : Tempo médio de vida de um radionuclídeo antes de sofrer um decaimento.
t
( )2/1
0
.44,1
1.
Tt
tdtptt
=
== ∫∞
λ
Fissão Nuclear
Fissão espontânea:(Cf-252, T1/2 = 2.6 anos)
Fissão induzida:
Fissão Nuclear
Modelo da Gota Líquida:
(a) (b) (c) (d) (e)
Z, A r
R1 R2
R1 + R2 Z1, A1 Z2, A2
(a) Energia externa (nêutron incidente). Núcleo com carga uniformemente distribuída;(b) Estado excitado. Ação de forças radiais e diametralmente opostas (coulombianas e
nucleares) que o deformam dando origem a uma forma de um elipsóide; (c) Se a distorção for suficientemente intensa, a gota assume em seguida uma forma de um
haltere; (d) O haltere (c) oscila até o "pescoço" se tornar tão estreito que se rompe em 2 fragmentos
(força coulombiana supera a força nuclear de curto alcance); (e) Fragmentos de fissão.
nêutron
5
Fissão Nuclear
EstadoFundamental
ab
c
d
e
dDistância Entreos Fragmentos
EnergiaPotencial
do NúcleoComposto
M c A
2
M c A
2 + M c A
2 1 2
+...
R + R 2 1
EnergiaCrítica (Ec)
Energia Crítica: Energia mínima fornecida ao núcleo afim de induzir uma fissão.
Físsil, Fértil e FissionávelFíssil: nuclídeos que sofrem fissão induzida por nêutrons com energia
cinética zero.
Fissionável: nuclídeos que sofrem fissão induzida por nêutrons com energiacinética maior que zero.
Fértil:
Energia Liberada por Fissão
92235
01
3695
56139
012U n Kr Ba n+ → + +
2n=2,018 u.m.a.
TOTAL=235,918u.m.a.TOTAL=236,133u.m.a.
139Ba=138,955u.m.a.n=1,009u.m.a.
95Kr=94,945u.m.a.235U=235,124u.m.a.
MASSA DEPOIS DA FISSÃO
MASSA ANTES DA FISSÃO
Fissão induzida:
∆m = 236,133 - 235,918 = 0,215 u.m.a.∆E = 0,215 x 931 = 198 MeV
2.cmE ∆=
~200MeV
6
Energia Recuperada
198-207207TOTAL3-120γ de captura radiativa
55Nêutrons de fissão(prontos+atrasados)
77γ-prontos012Neutrinos77γ
88β
Decaimento PF:168168PF (cinética)
Recuperada (MeV)
Emitida (MeV)
Forma da energianêutron
Calor de Decaimento
• Na partida do reator, cerca de 185 MeV de energia são liberados por fissão.
• Com o acúmulo dos produtos de fissão e captura, esta energia aumenta até ~200 MeV.
• Quando o reator é desligado e o processo de fissão éinterrompido, o calor atrasado continua sendo gerado por algum tempo enquanto os produtos radioativos decaem. 0,1
1,0
10
0 4020 60 80 100 120 (dias)
reator do plena Potênciadecaimento de Potência
Ciclo de Nêutrons
• Reações Nucleares com Nêutrons;• Seção de Choque • Alargamento Doppler;• Classificação dos Nêutrons;• Fluxo de Nêutrons;• Moderação;• Reação em Cadeia.
7
Reações Nucleares com Nêutrons
Captura radioativa:
( ) InnIn m11649
11549 ,γ
ZA
ZA
ZAX n X X+ → → ++ +
01 1 1*
γ
NúcleoComposto
Na operação do reator, a reação (n,γ) aparece em importantes funções, pois é o tipo de reação que ocorre nas barras de controle e na queima de produtos de fissão. Exemplos:
( ) CdnCd 11448
11348 ,γ ( ) UnU 239
9223892 ,γ
( ) XenXe 13654
13554 ,γ
Barras deControle
Ressonância:
Veneno:
Reações Nucleares com Nêutrons
Reação com partículas carregadas:
510
01
37
24B n Li+ → + α
( )510
37B n Li,α
Esta reação ocorre, por exemplo, no ácido bórico diluído no moderador para controle de reatividade, ou ainda nas barras de segurança na forma de B4C.
Pelo fato da partícula α possuir grande poder de ionização, este tipo de reação étambém utilizado em detectores de nêutrons (BF3, Boron-Lined, CIC, CINC)
( )
)76(
7s)(T
,,
168
*168
1/2*16
8167
167
168
MeVOO
ON
NpnO
−+→
≈+→ −
γ
β
Em reatores moderados à água, esta reação é principal fonte de radioatividade na água.
Espalhamento elástico:
Espalhamento inelástico:
x n x n+ → +
Reação (n, n), onde a energia interna do núcleo alvo [x] não é alterada.
Pode ser considerado como uma reação (n, n') onde o nêutron é absorvido pelo núcleo alvo formando um núcleo composto que decai emitindo "outro nêutron" com menor energia.
´* nxnx +→+
Reações Nucleares com Nêutrons
'')( 112
11 HnOHHn +→+Exe. moderação:
*238238 '),( UnnU
8
Seção de Choque microscópica σ
φσ NaXR /
incidente feixe do eintensidadalvo do átomos de número / reação de taxa
==
A seção de choque é uma medida da probabilidade de ocorrência de uma dada reação nuclear. Unidade: 1 barn (b) = 10-24cm2
a = Área (cm2)N = densidade atômica
(átomos/cm3)X = Espessura (cm)
φ = fluxo(n/cm2.s)
TAXA DE REAÇÃO, R:
XaNR ...φ∝
σ é a cte. de proporcionalidade entreR e φNaX.
Para cada tipo de reação nuclear, existe uma seção de choque correspondente que é uma característica do núcleo alvo, sendo entretanto, função da energia do nêutron incidente. A seção de choque total é a somatória das seções de choque individuais para cada tipo de reação nuclear.
...)()( ´ +++++= αγ σσσσσσ fnst
Seção de choque de absorção
Seção de choque de espalhamento
Seção de Choque microscópica σ
Seção de Choque macroscópica Σ
323 átomos/cm 106.02alvo do atômica densidadeA
N ρ×==
Σ = Nσ
camicroscópi choque de seção=σ
Da mesma forma que para a seção de choque microscópica:
...)()( ´ +Σ+Σ+Σ+Σ+Σ=Σ αγ fnst
Seção de choque de absorção
Seção de choque de espalhamento
Definição:
9
NUCLÍDEOS REAÇÕES En σ (b)
Absorção 0,025 eV 690 235 Espalhamento 0,025 eV 10
U Fissão 0,025 eV 580 92 Captura 0,025 eV 110
Emissão Alfa 0,025 eV 0 Absorção 0,025 eV 0,24
27 Espalhamento 0,025 eV 1,40 Al Captura 0,025 eV 0,24
13 Fissão 0,025 eV 0,00 Total (σs + σa) 0,025 eV 1,64 Absorção 0,025 eV 4010 Captura 0,025 eV 0 Emissão Alfa 0,025 eV 4010
10 Espalhamento 0,025 eV 5 B Absorção 1 eV 665
5 Absorção 10 eV 200 Absorção 100 eV 66,50 Absorção 1000 eV 20,50 Absorção 10000eV 6,65
Exemplos de σ:
Dependência de σ com a energia
nZ A +
1+AZ
γ
γEnergia donêutron
Q da reação
(n,n’)
(n,n)
NC
γ de captura
ressonâncias1/v outras reações
Alargamento Doppler
1000ºC
20ºC
T=0K
E-E0
T=0K E=E0
T=20ºC
E=E0+δE
E=E0-δE
T=1000ºC
E=E0+∆E
E=E0- ∆E
10
Energia:i) n-térmicos (E < 1eV)
Estão em equilíbrio térmicocom o meio.
ii) n-intermediários(1eV < E < 100keV)
iii) n-rápidos (E>100keV)
Classificação dos nêutronsTempo de emissão:i) n-prontos (t<10-14s).
Produzidos na fissão
ii) n-atrasados (t>10-14s).Decaimento de PFs.
KeVKTE /106.8 5−×==
CTeVECTeVE
o
o
300049.04.20025.0
=→=
=→=
Espectro de nêutrons prontos
Energia média = 1.98MeV
Energia mais provável = 0.85MeV
Fluxo de nêutrons Φ
=
×=
scmnêutronsnv
dtdA 2 nêutrons de númeroφ
Definição: fluxo de nêutrons é a quantidade de nêutrons que atravessam uma unidade de área em um segundo, independente de direção ou sentido.
n
n
n
n
n
n
n
n
dA
dt
nêutron do velocidadev)/( nêutrons de densidade 3
== cmnnOnde:
11
Moderação de nêutrons
Definimos por moderação o processo de perda de energia dos nêutrons de fissão através de espalhamentos elásticos e inelásticos até o equilíbrio térmico com o meio.
Moderação de nêutrons
1
0lnEE
=ξ
ξeV
EnC025.0
0l=
SΣ= .moderação dePoder ξ
a
s
ΣΣ
=.moderação de Razão ξ
Decremento Logarítmico Médio de Energia por Colisão
Número médio de colisões
Nuclídeo ξ C P.M. R.M.
H2O 0,920 20 3,17 143
D2O 0,509 36 0,23 6922
612C 0,158 115 0,61 223
238U 0,0838 2100 ----- -----
Centro de Engenharia Nuclear Centro de Engenharia Nuclear -- CENCEN
Reação em Cadeia
Se os nêutrons emitidos por uma fissão causarem ao menos uma nova fissão, o processo poderá ser auto-suficiente e constituir-se no que échamado Reação em Cadeia.
Massa Crítica é a mínima massa de combustível suficiente para manter uma reação em cadeia.
12
Fator de Multiplicação k
geração ésima-)1( da nêutrons de n.finitoreator um em
geração ésima- da nêutrons de n.
i-
i
keff =
cosupercrítireator ,1subcríticoreator ,1
críticoreator ,1
>
<
=
eff
eff
eff
kk
k
Definições:
K = 2
K = 1
1 2 3 4 5 6
geração ésima-)1( da nêutrons de n.infinitoreator um em
geração ésima- da nêutrons de n.
i-
i
k =∞
13
Multiplicação Subcrítica
1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª 9ª 10ª 11ª 12ª100 60 36 22 13 8 5 3 2 1 --- ---
100 60 36 22 13 8 5 3 2 1 ---100 60 36 22 13 8 5 3 2 1
100 60 36 22 13 8 5 3 2100 60 36 22 13 8 5 3
100 60 36 22 13 8 5100 60 36 22 13 8
100 60 36 22 13100 60 36 22
100 60 36100 60
100100 160 196 218 231 239 244 247 249 250 250 250
( ) ( )[ ] )1(p/ 1
0...0000 <
−=+++= + eff
effeffeffeffeffeffefft k
kSKKKSKKSKSSN
SaídaEntrada
111
=−
= effkM
6.0=effk
Curva 1/M:
14:24:37 14:44:37 15:04:37 15:24:37 15:44:37 16:04:37
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
taxa
de
cont
agem
(cps
)
horário
canal 1 (BF3) canal 2 (BF3) canal 10 (Boron-Lined) canal 9 (BF3) BC#2
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 560.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1/M
BC#2 (%)
canal 1 (BF3) canal 2 (BF3) canal 9 (BF3)
Medida de posição crítica de barra de controle do Reator IPEN/MB-01
Curva 1/M
15:23:47 15:27:57 15:32:07 15:36:17 15:40:27 15:44:37
50
100
150
200
250
300
350
400
450
50
51
52
53
54
55
56
taxa
de
cont
agem
(cps
)
horário
canal 1 (BF3)
BC
#2 (%)
BC#2
14:54:37 14:58:47 15:02:57 15:07:07 15:11:17 15:15:27 15:19:37
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
BC
#2 (%)
taxa
de
cont
agem
(cps
)
horário
canal 1 (cps)
BC#2
Tempo de estabilização
Transientes no Reator IPEN/MB-01
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térmicas fissõespor produzidos rápidos nêutrons de nºenergias todasem fissõespor produzidos rápidos nêutrons de nº
=ε
aressonânci de região na entram que rápidos nêutrons de nºaressonânci de região da saem que rápidos nêutrons denº
=p
materiais os todos em absorvidos térmicos nêutrons denºlcombustíve no absorvidos térmicos nêutrons de nº
=f
lcombustíve no absorvidos térmicos nêutrons denºtérmicas fissõespor produzidos rápidos nêutrons denº
=η
fuga da antes núcleo no existentes rápidos nêutrons denºfugaa após núcleo no permanecem que rápidos nêutrons denº
=fP
fuga da antes núcleo no existentes térmicos nêutrons de nºfuga a após núcleo no permanecem que térmicos nêutrons denº
=tP
Fator defissão rápida
Probabilidade deescape daressonância
Fator de utilizaçãotérmica
Fator de reprodução
Probabilidade denão-fugarápida
Probabilidade denão-fugatérmica
Acompanhando a evolução de uma geração de nêutrons, definimos:
002.1100010021
0
===
=
NN
fpPPNk tfeff ηε
N = 1000
Fissão
Rápida
= 1,175ε
Não Fuga
Rápida
Pf = 0,98
24 nêutrons perdidos
Probabilidadede Escape àRessonância
= 0,87ρ
Não Fuga
Térmica
Pt = 0,98
20 nêutrons perdidos
Utilização
Térmica
f = 0,498
Fator deReprodução
η = ν.Σf
Σa/
η = 2,05
1175
1151
150nêutronscapturados
1001
981
492 nêutrons absorvidos emmaterial não combustível
401 causam fissão
88 não causam fissão
= 2,5 nêutrons/fissãoν
489
N1 = 1002
ε0N
fPN ε0
pPN fε0
tf pPPN ε0
ηε fpPPN tf0
fpPPN tfε0
ηεpfNk 0=∞
Fórmula dos 6 fatores
Fórmula dos 4 fatores
Ciclo deNêutrons
Cinética de Reatores
• Reatividade;• Coeficientes de Reatividade;• Nêutrons Atrasados;• Período do Reator;• Equação Inhour;• Pronto Criticalidade;• Transientes no Fluxo de Nêutrons.
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Reatividade ρIndica quanto o reator está afastado de sua condição de criticalidade (Keff = 1).
geração ésima-)1( −i
geração ésima-)1( +i
geração ésima-i
0N
0Nkeff
02 Nkeff
( )
eff
eff
eff
eff
eff
eff
kk
kk
NkNNk
∆=
−=
−=
1
0
00ρ
( )( ) )(10
(%)1005 pcmkk
kk
effeff
effeff
→×∆
→×∆
cosupercrítireator 0, ,1
subcríticoreator 0, ,1
críticoreator 0, ,1
>>
<<
==
ρ
ρ
ρ
eff
eff
eff
k
k
k
Coeficientes de Reatividade α
MODT
FUELT
MODFUEL
T
TT
TT
ααρρ
ρρα
+=∂
∂+
∂∂
=
∆∆
≈∂∂
=
VVT ∆
∆≈
∂∂
=ρρα
moderador do ra temperatuna variaçãolcombustíve do ra temperatuna variação
=∂=∂
MOD
FUEL
TT
Definição: αX é a variação sofrida pela reatividade (∆ρ) devido à uma variação no parâmetro X.
Coeficiente de reatividadede temperatura αT
Coeficiente de reatividadede vazio αV
vaziodo volume=∂V
13:57:47 14:31:07 15:04:27 15:37:47 16:11:07 16:44:2715
20
25
30
35
40
45
0
5
10
15
20
25
56
58
60
62
64
66
68
BC
#2 re
tirad
a (%
)
potê
ncia
(W)
tem
pera
tura
RTD
(ºC
)
horário
temperatura
potência
BC#2
Medida do coeficiente de reatividade de temperatura do Reator IPEN/MB-01
10 20 30 40 50 60 70 80 9056
58
60
62
64
66
68
70
72
Con
trol B
ank
- With
draw
n (%
)
Temperature (Centigrades)
Ponto de inversão de αT
16
Medida do coeficiente de reatividade de vazio do Reator IPEN/MB-01
14:56:15 14:59:35 15:02:55 15:06:15 15:09:35 15:12:55 15:16:15-900
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
tem
pera
tura
(°C
)
BC#2
(%)
ρ (p
cm)
horário
reatímetro canal 4 reatímetro canal 3
BC#2
temperatura
T=20.78±0.19°C
crítico com vazio
subcrítico(crítico sem
vazio)∆ρ introduzidopelo vazio
∆BC#2
Nêutrons Atrasados
Nêutrons provenientes do decaimento de PFs (t > 10-14s após a fissão).
Grupo deprecursores
Meia-VidaT1/2 (s)
Vida Médiaτ (s)
Cte. Decaim.λ (s-1)
EnergiaMeV
Fraçãoβi
1 55,72 78,66 0,0124 0,25 0,0002152 22,72 31,52 0,0305 0,56 0,0014243 6,22 8,66 0,111 0,43 0,0012744 2,30 3,22 0,301 0,62 0,0025685 0,61 0,72 1,14 0,42 0,0007486 0,23 0,26 3,01 0,43 0,000273
Precursores: PFs que decaem emitindo nêutrons.
Apenas dos nêutrons são atrasados.%65.00065.0 ==∑ iβ
Nêutrons Atrasados
Mecanismo de emissão de n-atrasados do precursor 87Br.
Estável
Estável
Br-87 (T 1/2 = 55,7 s)
Kr-87
Rb-87
Sr-87
[Kr-87]*
Kr-86
β
β
β
β
Emissão
de
Nêutron
17
Fração Efetiva de Nêutrons Atrasados βeff
( )∑∫ Ω×=i
iieff dEdVd aimportânci defator ββ
Posição (dV): Nêutrons no centro do núcleo são mais importantesDireção (dΩ): Nêutrons entrando no núcleo são mais importantesEnergia (dE): Nêutrons térmicos são mais importantes
Para o reator Angra I:Começo da Vida = 0,0070 = 0,70% (U-235 e U-238)Fim da Vida = 0,0055 = 0,55% (U-235, U-238 e Pu-239)
Para o reator IEA-R1 = 0,0065 = 0,65% (20% U-235 e 80% U-238)
Para o reator IPEN/MB-01 = 0,0075 = 0,75% (4,3% U-235 e 95,7% U-238)
TtePP 0=
Tt
e0Φ=Φ
Tt
eNN 0=Densidade de nêutrons
Fluxo de nêutrons
Potência
Potência e Período do Reator
prontos-n de geração de temponêutrons dos lifetime
==Λ=
eff/kll
A Potência de um reator nuclear é diretamente proporcional à população de nêutrons em seu núcleo.
Período do Reator (T) é o tempo necessário para que a potência do reator aumente por um fator e = 2,7182.
ρΛ
=−
=1effk
T l
onde:
cosupercríti ,0T 0, ,1
subcrítico ,0T 0, ,1
crítico ,T 0, ,1
>>>
<<<
∞===
ρ
ρ
ρ
eff
eff
eff
k
k
k
15:11:18 15:13:48 15:16:18 15:18:48 15:21:18 15:23:48
0
20
40
60
80
100
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
reat
ivid
ade
(pcm
)
potê
ncia
de
oper
ação
(W)
horário
Potência de operação
Reatímetro 4 Reatímetro 3
Rampa de subida de potência do Reator IPEN/MB-01
18
Tempo de dobramento δ
É o tempo necessário para que a potência varie por um fator "2". A facilidade da observação de um fator de multiplicação inteiro faz com que o tempo de dobramento seja mais utilizado em medidas experimentais.
TT eePPPδδ
=→== 22 00
T =δ
0 693,
Nêutrons Atrasados e Controle do Reator
50pcm 0005.1 =→= ρeffkPeríodo do reator sem n-atrasados Período do reator com n-atrasados
4
1444
102
101101101−×=
×+×+×= sss ---pl
moderação difusão geração
ssxk
Teff
p 4.00005.0102
1
4
==−
=l
Período:
Após 1s:
sss-
08.0 7.12102)1( 4
=+×−= ββl
Difusão +moderação
Vida-média dosn-atrasados
ssk
Teff
1600005.008.0
1==
−=
lPeríodo:
0160
1
00 006.1 PePePP ss
Tt
===Após 1s:0
4,01
00
2.12 PePePP s
sT
t
=
==
1λ2λ3λ4λ5λ6λ( )ωρ
ω
0<ρ1ω2ω3ω4ω5ω6ω
7ω
Λeffβ 0>ρ1ω7ω 6ω 5ω 4ω 3ω 2ω
Equação InhourA Eq. Inhour fornece a relação entre a reatividade inserida ρ e o período do reator T.
∑= +
+Λ=6
1i ik
ikk λω
βωωρ
n-prontos n-atrasados
( )ttt eAeAeAtt 7217210 )()( ωωωφφ +++= LFluxo
1
1ω
=TPeríodoEstável
19
15:00:28 15:03:48 15:07:08 15:10:28 15:13:48 15:17:08 15:20:28-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
175
200
perío
do (s
)
reat
ivid
ade
(pcm
)
Horário
ρ canal 3 ρ canal 4
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
175
200
período
Relação período – reatividade no Reator IPEN/MB-01
Transientes no Fluxo de Nêutrons
( )ttt eAeAeAtt 7217210 )()( ωωωφφ +++= L
Comportamento do fluxo de nêutrons após um step de reatividade
ρ∆
Prompt Jump
1
1estávelperíodo
ω=
( ) ( ) Tt
eAttt 10
limφφ =
∞→
Pois somente 01 >ω
Transientes no Fluxo de Nêutrons
0<∆ρ
Período negativo estável devido ao decaimento de precursores de maiores T1/2
20
Para tornar um reator "Pronto Crítico", é necessário inserir uma reatividade igual ao valor da fração efetiva de nêutrons atrasados.
)dólar( $1== effβρ
Pronto Criticalidade
ssT 0043.00075.01032 6
≈×
=Λ
=−
ρ
Ex. para o Reator IPEN/MB-01:
pcmeff 750≈= βρ
Nesta condição, a reação de fissão em cadeia é auto-sustentada sem a participação dos nêutrons atrasados.
01010043.0
1
0 1013.6 )1( PePsP ×==
Barras de ControleFunção: Controle de reatividade e desligamento do reator (SCRAM, TRIP).Materiais mais utilizados: Controle Ag-In-Cd (80-15-5);
Segurança B4C.
Calibração de BCs do Reator IPEN/MB-01
14:11:19 14:44:39 15:17:59 15:51:19 16:24:39 16:57:59
-400
-300
-200
-100
0
100
200
20
30
40
50
60
70
80
90
100
BC#2
(%)
reat
ivid
ade,
ρ (p
cm)
horário
reatímetro canal 4 reatímetro canal 3 BC#2
∆Z
∆Z
21
Calibração de BCs do Reator IPEN/MB-01
35 40 45 50 55 60 65 70 7540
42
44
46
48
50
52
54
56
Resultados do Ajuste: χ2v = 0.34682 Zc = 8.85768 ± 0.90383w = 83.6445 ± 1.63352A = 54.01412 ± 0.21415
valo
r dife
renc
ial d
e B
C#2
(pcm
/ %
)
BC#2 retirada (%)
experimental ajuste
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Resultados do ajuste:
χ2v = 222.92624
A1 = -213.47327 ± 23.889A2 = 3623.01175 ± 21.19836Z0 = 50.41244 ± 0.24609dZ = 17.88921 ± 0.29849
dados experimentais ajuste sigmoidal
valo
r int
egra
l de
BC
#2 (p
cm)
BC#2 retirada (%)
Curva Diferencial Curva Integral
Venenos Neutrônicos
Venenos queimáveis: materiais de alta seção de choque de absorção de nêutronsque são convertidos em materiais de baixa seção dechoque após capturarem um nêutron.
Venenos fixos: UO2-Gd2O3, Gadolínio possui uma seção de choque de capturaradiativa alta e “queima” durante a operação do reator.
Venenos Solúveis: H3BO3, Acido Bórico. Utilizado em todos os PWRs.
Venenos NeutrônicosProvenientes da Fissão
Xenônio-135:
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 00
1 0 0 0
2 0 0 0
3 0 0 0
4 0 0 0
5 0 0 0
6 0 0 0
7 0 0 0
M e d id o C a lc u la d o
Reati
vidad
e (pc
m)
T e m p o (h o r as )
(estável)135
106.2
135
2.9
135
7.6
135
min5.0
1356
BaCsXeITeanosxhh
−−−−
→→→→<
ββββ
σcaptura = 2.7x106 barns
fissão fissão
shutdown
Excesso de reatividade
TempoMorto
startup
