reação de fissão em cadeia prof. fernando carvalho programa de engenharia nuclear coppe/ufrj

44
Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

Upload: internet

Post on 18-Apr-2015

104 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

Reação de Fissão em Cadeia

Prof. Fernando CarvalhoPrograma de Engenharia Nuclear

COPPE/UFRJ

Page 2: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 2

Reação de Fissão em Cadeia

Nêutrons de Fissão

Fragmentos de Fissão

Page 3: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 3

Energias Emitidas e Recuperadas da Fissão

Page 4: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 4

Número Médio de Nêutrons Emitidos na Fissão

)E(i Número médio de nêutrons emitidos na fissão do nuclídeo i causada por um nêutron de energia E.

46.2MeV1.1U

12.2MeV5.1Th

02.3MeV1

Pu

87.2eV025.0

50.2MeV1

U

44.2eV025.0

55.2MeV1

U

48.2eV025.0

)E(Ei

23892

23290

23994

23592

23392

i

Page 5: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 5

Espectro de Fissão

dE)E(iNúmero médio de nêutrons emitidos na fissão do nuclídeo i que possuem energia E dentro de dE.

O nêutron nasce, em média, com 2 MeV de energia.

Page 6: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 6

Fragmentos de Fissão – Nêutrons Retardados

Page 7: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 7

Nêutrons Retardados

i

i

i2/1T

2ln

6

1ii

Constante de decaimento do i-ésimo grupo de precursores.

Fração de todos os nêutrons de fissão (prontos mais retardados) que vêm do i-ésimo grupo de precursores.

Fração total de nêutrons de fissão que são retardados.

Page 8: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 8

d

Relative Yield:

/i

Page 9: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 9

Nêutrons Prontos

A maioria dos nêutrons de fissão (chamados de nêutrons prontos) aparecem essencialmente no instante do evento de fissão (dentro de 10-14 segundos).

Nêutrons Retardados

Uns poucos nêutrons (menos de 1%) aparecem, com um apreciável tempo de retardo em relação ao instante do evento de fissão, do subseqüente decaimento de produtos (radioativos) de fissão.

Page 10: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 10

Importância dos Nêutrons Retardados

Os nêutrons retardados são de vital importância para o efetivo controle da reação de fissão em cadeia.

Page 11: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 11

Fator de Multiplicação

precedente geração na nêutrons de Número

geração numa nêutrons de Númerok

Page 12: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 12

• Sistema Sub-crítico (k<1)

O número de nêutrons decresce de uma geração para outra.

• Sistema Crítico (k=1)

• Sistema Super-crítico (k>1)

O número de nêutrons é o mesmo de uma geração para outra.

O número de nêutrons cresce de uma geração para outra.

<— Objetivo primeiro do Eng. Nuclear.

Page 13: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 13

• Sistema Sub-crítico (k<1)

Condição para desligamento do reator.

• Sistema Crítico (k=1)

• Sistema Super-crítico (k>1)

Condição em operação normal do reator (potência fixa).

Condição para elevar o nível de potência do reator.

<— Objetivo primeiro do Eng. Nuclear.

Page 14: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 14

População Desejada de Nêutrons

A potência do reator é diretamente proporcional à população (ou número) de nêutrons no núcleo do reator.

1. Reator sub-crítico ou crítico com uma fonte de nêutrons

Problema: A maioria das fontes de nêutrons são fracas para manter a reação de fissão em cadeia e, desse modo, não é possível alcançar a população desejada.

Page 15: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 15

2. Reator temporariamente super-crítico

O reator é projetado para ser super-crítico sem os absorvedores de controle.

RETIRA-SE ALGUM ABSORVEDOR

ALCANÇA-SE A POPULAÇÃO DESEJADA

INSERE-SE NOVAMENTE ALGUM ABSORVEDOR (Para tornar o reator crítico)

Page 16: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 16

precedente geração na nêutrons de Número

geração numa nêutrons de Númerok

O fator de multiplicação é de extrema importância na determinação do comportamento do reator nuclear.

• Definição mais prática de k

nêutrons de perda de Taxa

nêutrons de produção de Taxak

)t(L

)t(P

Page 17: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 17

Onde N(t) é o número (ou população) total de nêutrons.

• Tempo de vida do nêutron

)t(L

)t(N

Page 18: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 18

Modelo Simples da Cinética de Nêutrons

perda de Taxa - produção de Taxadt

)t(dN

dt

)t(dN)t(P )t(L

Page 19: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 19

)t(L)t(Pdt

)t(dN

Mas

)t(L

)t(Pk )t(Lk)t(P

Então

)t(L)t(Lkdt

)t(dN )t(L)1k(

dt

)t(dN

Page 20: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 20

Mas

)t(L

)t(N )t(N

1)t(L

Então

)t(N1k

dt

)t(dN

)t(L)1k(dt

)t(dN

Page 21: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 21

)t(N1k

dt

)t(dN

)t1k

exp()0(N)t(N

Page 22: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 22

Período do Reator

A potência do reator é diretamente proporcional à população (ou número) de nêutrons no núcleo do reator.

)t(N)t(Potência )t1k

exp()0(N

Define-se o período do reator como sendo:

)0(Potênciae)T(Potência )0(Ne)T(N ou

Page 23: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 23

)T1k

exp()0(N

)0(Ne)T(N

e)T1k

exp(

1T1k

1k

T

(Período do

Reator)

Page 24: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 24

ExercícioQuão rápida é a mudança no nível de potência do reator quando ele se torna super-crítico com k = 1.001? [Nota: o tempo de vida do nêutron é 10-4 segundos para um típico reator de potência]

1kT

1001.1

seg10T

4

seg1.0T

)t1k

exp()0(N)t(N

)T

texp()0(N)t(N

Page 25: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 25

Então, para t=1 segundo, tem-se que

)T

texp(

)0(N

)t(N )

1.0

1exp( 22000e10

)t(Potência22000)seg1t(Potência 00

Observação: Neste modelo não foram levados em conta os nêutrons retardados.

Page 26: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 26

Cinética Pontual

)t(C)t(Ndt

)t(dN

)t(C)t(Ndt

)t(dC

onde:k

k

11 e

Page 27: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 27

Período do Reator:

T

Então, para:

seg10 4

0075.01seg08.0

001.1k

Tem-se que .segundos81T

Page 28: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 28

Cinética de Reatores

)t(C)t(Ndt

)t(dN

)t(C)t(Ndt

)t(dC

ereatividad a é ondek

11

)t(N1k

dt

)t(dN

- Para nêutrons prontos apenas

- Para nêutrons prontos e retardados

çãomultiplica defator o é onde k

Page 29: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 29

Reatividade

A reatividade foi definida como sendo

k

11 , onde k é o fator de multiplicação.

• Sistema Sub-crítico (k<1)

• Sistema Crítico (k=1)

• Sistema Super-crítico (k>1)

Logo

0

0

0

Page 30: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 30

Coeficientes de ReatividadeA reatividade depende de vários parâmetros que caracterizam o estado do sistema, como a temperatura do combustível (TF), a temperatura do moderador (TM), a potência do reator

(P), etc.

...PTT PMMTF

FT

FT

MT

P

onde:

- coeficiente de reatividade de temperatura do combustível

- coeficiente de reatividade de temperatura do moderador

- coeficiente de reatividade de potência

Page 31: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 31

BWR PWR HTGR LMFBR

Coef. de Temperatura do Combustível

Doppler (pcm/oK) - 4 a - 1 - 4 a - 1 - 7 - 0.6 a - 2.5

Coef. de Temperatura Isotérmico

Vazio do Refrig. (pcm/%vazio) - 200 a - 100 0 0 - 12 a + 20

Moderador (pcm/oK) - 50 a - 8 - 50 a - 8 + 1.0

Expansão (pcm/oK) ~ 0 ~ 0 ~ 0 - 0.92

Defeito de Temperatura (%Δk/k) 2.0 - 3.0 2.0 - 3.0 0.7 0.5

Defeito de Potência (%Δk/k) 1.5 - 2.5 1.5 - 2.5 4.0 0.8

Valor de Xenônio (%Δk/k) 2.6 2.6 3.3 0.0

Valor de Samário (%Δk/k) 0.7 0.7 0.5 0.0

Coeficientes de Reatividade

Page 32: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 32

ObservaçõesReatores tendo coeficientes de reatividade de temperatura positivos são inerentemente instáveis com relação à mudanças na temperatura.

Se

0Te0 0T 1k

Mas

1k Crescimento da população de nêutrons 0P

Se

0P 0T 0 1k

Page 33: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 33

Reatores tendo coeficientes de reatividade de temperatura negativos são estáveis com relação à mudanças na temperatura.

Se

0Te0 0T 1k

Mas

1k Decréscimo da população de nêutrons 0P

Se

0P 0T A temperatura retorna ao seu valor original.

Page 34: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 34

ExercícioQual deve ser a intensidade de uma fonte de nêutrons, para que um sistema sub-crítico possa manter-se estacionário a uma potência P0 ?

Para o caso de nêutrons prontos sem fonte, tem-se que

)t(N1k

dt

)t(dN

Então, para um sistema sub-crítico (k < 1) com fonte,

S)t(Nk1

dt

)t(dN

Page 35: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 35

Se o sistema tem que ser mantido estacionário, então

0dt

)t(dN

S)t(Nk1

dt

)t(dN

0S)t(Nk1

S)t(Nk1

Sk1

)t(N

Page 36: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 36

Como a potência é diretamente proporcional ao número de nêutrons (ou população) no sistema, podemos escrever:

)t(Na)t(P

Sk1

)t(N

Mas

logo

Sk1

aP0

0P

a

k1S

Page 37: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 37

A potência foi escrita da seguinte forma: )t(Na)t(P

Então, podemos escrever:

NP )

s

JW(

Mas, a energia vem das fissões que ocorrem no núcleo do reator, logo

NP f

)s

J( )

cm

fissõesnêutronsdeN

cm

nêutron/fissão( o

)nêutronsdeN( o

Page 38: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 38

Além disso, da freqüência de interações, tem-se que

NvP f )

s

J( )

s

fissões

cm

fissões

s

cm(

Mas cada fissão gera uma quantidade de energia (200 MeV em média), logo, podemos escrever:

NvwP f )

s

J( )

s

J

s

fissões

fissão

J(

Onde: w é a energia liberada por fissão

Page 39: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 39

Densidade Média de Potência

A densidade média de potência (em W/cm3) é dada por

onde:

ativonúcleoV

Pp

fwp

ativonúcleoV

Nv

<— Fluxo de Nêutrons (Nêutrons/cm2.s)

Page 40: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 40

Taxas de Reações• Taxa de Fissão (Número de fissões/segundo):

• Taxa de Captura (Número de capturas/segundo):

• Taxa de Absorção (Número de absorções/segundo):

núcleoff VT

núcleocc VT

núcleoaa VT fca TTT

Page 41: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 41

• Taxa de Espalhamento (Número de espalhamentos/segundo):

núcleoss VT

Queima (ou Burnup)

, Comb

L

L

t

0

dt)t(PM1

)t(B

sendo MComb a massa inicial de combustível.

Page 42: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 42

Exercício

Para um núcleo cujo volume é 4,0x107 cm3 e o fluxo de nêutrons é 1,5x1013 nêutrons/cm2.s, qual é a taxa de fissão, neste núcleo, se a seção de choque macroscópica de fissão vale 0,052 cm-1 ?

núcleoff VT

s/fissões10x4x10x5,1x10x2,5T 7132f

Como segue que

s/fissões10x18,3T 19f

Page 43: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 43

ExercícioQual é a potência gerada no núcleo do exercício anterior ?

núcleof VwP Como

segue que

núcleoff VT e

fTwP

Para Mev200w vemJ10x2,3 11

sJ10x18,3x10x2,3P 1911 MW1018P

Page 44: Reação de Fissão em Cadeia Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

CPM 2010 Reação de Fissão em Cadeia 44

Exercício

Qual é a queima gerada no núcleo do exercício anterior, se ele operou durante 60 dias a potência constante e a massa inicial de combustível é de 30 toneladas ?

Como a potência é constante no tempo, tem-se que

TMWD2036)dias30(B

)

TMWD1018x30

60dtMW1018x

T30

1dias30(B

dias60

0