reactor nuclear rp10 y fisica de reactores en el ipen-peru

EL REACTOR NUCLEAR RP10FISICA DE REACTORES NUCLEARES EN EL PERÚDr. Agustin Zúñiga GamarraSubdirector de Operación de Reactores NuclearesInstituto Peruano de Energía Nuclear (IPEN-Perú)19-21 de setiembre de 2016UMSA-La Paz - Bolivia

Neutrones en el reactor nuclear - RP10

INSTITUTO PERUANO DE ENERGÍA NUCLEAR

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 2

INVITACIÓN

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 3

1. La física de reactores nucleares en el IPEN-Perú. Una visión experimental2. La experiencia con el reactor nuclear RP10 del Perú.

Contenido1. Los reactores nucleares1. Fundamentos físico2. Centrales nucleares3. Reactores de investigación 2. La física de reactores nucleares1. Problema2. Antes de la PES, Durante la PES, Comercial (visión experimental)3. La experiencia con el reactor nuclear del Perú (RP10).1. El reactor nuclear RP02. El reactor nuclear RP103. Ejemplos de trabajos en FR con el RP10A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 4

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 5Fuente: http://www.fiumsa.edu.bo/sobofi/radiaciones.html

TEMAS1. El IPENa. Estructura orgánicab. Videoc. Otros2. El reactor nucleara. Reactor nuclear de investigaciónb. El reactor nuclear centralc. La fuentes de neutrones3. Accidentesa. Accidentes nuclearesb. Accidente de Fukushimac. De la Guerra a la Paz4. Usosa. La producción de radioisótopos (A. robles, iridio)b. El análisis multielemental (P.Bedregal)c. Dosimetría neutrones (SEGURIDAD)

5. Educación a. La Educación con los RRb. El RP0c. La física nuclear para iniciantes o practicantesd. Los practicantes6. La física de reactoresa. Criticidadb. Reactividadc. Distribución de neutronesd. Seguridad e. Combustibles7. Perspectivas:a. Extensión de vidab. Modernizaciónc. UtilizaciónFinLima, 17 de Setiembre de 2016

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Contenido1. Los reactores nucleares1. Fundamentos físico2. Centrales nucleares3. Reactores de investigación 2. La física de reactores nucleares1. Problema2. Antes de la PES, Durante la PES, Comercial (visión experimental)3. La experiencia con el reactor nuclear del Perú (RP10).1. El reactor nuclear RP02. El reactor nuclear RP103. Ejemplos de trabajos en FR con el RP10A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 7

1. LOS REACTORES NUCLEARES1. Fundamentos físico2. Centrales nucleares3. Reactores de investigación

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Fundamento físico

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¿De qué está hecha la materia?

A.ZuñigaUMSA-BOLIVIA 10

Griegos: Aristóteles Hoy: ATOMOS

NúcleoProtonesNeutronesElectrones

Ejercicio: Parte una tiza en dos 29 vecesDe qué tamaño es el átomo: 0.00000001 cm

¿Qué es la energía nuclear?

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Núcleo (Energía Nuclear): Electrones (Reacciones Químicas):

Mil camiones de 10 Toneladas de Carbón1 kg de Uranio 13 eV

Universo Energía Materia 2cmE (Masa: m)(Masa: m=0)

1000000 eV

Huéspedespn

Incomodidad (Reacción Nuclear)EnergíaMateria

FISION

¿Qué es el uranio?

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 12

uranitaProductores de uranio

Producción de combustible nuclear

FISIÓN

Mil camiones de 10 Toneladas de Carbón1 kg de Uranio FISION200MeV

Mecanismo de Fisión

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Eq:Q: Ecr:U:

Reacción nuclear

Energía culombiana

Energía crítica

Energía potencial

13

Energía Crítica y Energía del último neutrón

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Fisiles

Fertiles14

Neutrones y Masa de Fragmentos

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Fragmentos Reactor:

15

Aspectos físicos

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Tema 8 Nuclear

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¿Qué ocurrió en la fisión?

Caso:Fisión del

Toda vez que se alcanza regiones de mayor B, se libera energía A menores lleva a FUSIÓNA mayores lleva a FISIÓN

FUSIÓN

FISIÓN

IAEA -RPhysics

K = 1.001, l = 10E-4 st = 1s22000 veces

Importancia de los neutrones retardados. Capacidad de controlarlo.np: 10E-15 snr: 0.2 a 55 s (0.65% U235)

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 18

Ref. LecturaA.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 19

REACTORES NUCLEARES DE INVESTIGACIÓNDr. Agustín Zúñiga

ASOCIACIÓN DE PROFESIONALES NUCLEARES DEL PERÚLima, Agosto 2012

Encuentro Científico Internacional, Agosto 2012

¿Qué es esta construcción?

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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

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RP0

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25

EL RNI RP10 (Caso Perú)Sala Experimental

Cúpula del RP10

Potencia: 10 MW

Columna térmicaHaz de neutrografiaTubo neumático

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26

Consola del RP10Boca de Tanque y Pileta Auxiliar

Núcleo Reactor

Posiciones de IrradiaciónA.Zuñiga UMSA-BOLIVIA

27

Distribución del número de reactores de investigación para países industrializados y en desarrollo.Distribucion de Reactores de Investigación

6 14 38

155

283324 327 314 288

257220

190190

0 0 0 18 41 55 73 79 86 89 84 8686

6 14 38

173

324379 400 393 374 346

304 276276

050

100150200250300350400450

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010Años

Núme

ro de

RI

Industrializados En desarrollo TotalA.Zuñiga UMSA-BOLIVIA

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%CanadaAlemaniaFranciaReino UnidoJapónFederación RusaEstados UnidosChinaOtros IndustrializadosOtros en Desarrollo

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29

Distribución de la edad de los RI en operación

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¿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 UMSA-BOLIVIA 30

30

Partes de una central BWR• Combustible nuclear (C)• La turbina (T)• Generador eléctrico (G).• Condensador (K)• bombas (P)• Vasija que contiene elnúcleo (V).• Moderador y refrigerante(M)• Elementos de control (D).

A.Zuñiga 31UMSA-BOLIVIA

Funcionamiento central BWR

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Central

es en el

mundo

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Ref.

34

438 En Funcionamiento

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Adnpp

Energía nucleoeléctrica

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

2. LA FÍSICA DE REACTORES NUCLEARES

1. Problema2. Antes de la PES, Durante la PES, Comercial (visión experimental)

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Problema fundamental

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Conocer (calcular o medir), para cualquier instante, t,las características de la población neutrónica que seextiende en una región, que contiene una arbitrariapero conocida mezcla de materiales. La cantidadprincipal, entonces, es la densidad neutrónica.

Densidad neutrónica

Ecuación de transporte de neutrones

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 38Física de reactores es sobre todo el cálculo de la densidad o el flujo neutrónico

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Ecuación de transporte de neutrones

Aproximaciones

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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

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«Ley de Fick»

McMaster

Aspecto experimental (PES)

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Magnitudes experimentales

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De acuerdo a la vida del reactor (Antes de la PES, Durante la PES y Posterior a la PES (comercial)):1. Voltaje de trabajo2. Tiempo muerto del detector3. Masa crítica4. Primera configuración crítica5. Flujo neutrónico6. Factores de pico7. Potencia neutrónica8. Valor en reactividad de barras de control9. Coeficientes de reactividad10. Evolución del veneno 11. Tiempo muerto de la configuración12. Quemado del combustible13. Dosis neutrónica14. Evaluación de reacciones nucleares para la producción de radioisótopo

Ejemplos de trabajos:

45

1. Distribuciones2. Reactividades3. Quemados4. Dosis5. Tasas de reacciones

1.2 Factor de Pico y Potencia1.1 Carta de Activación

1.3 Distribución Tubo Tangencial

2.2 Tiempo Muerto2.1 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 ActivaciónFlujo Neutrónico

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA

OTAN: Reglamento LEY 28028

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Lista de informes presentados para la modificación de una configuración nuclear

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 47

Descripción del Reactor

Equipamiento

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Espectrometría gamaEXP1.ID IN

INF. PCTE

EXP2. SNM

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

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 50

Contadores de fisión (canal de arranque)

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Cadena de arranque:CA1 CA2 CA3 Cadena de marcha

Indicadores convencionales

Consola del reactor

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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).

1. El reactor nuclear RP02. El reactor nuclear RP10

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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

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 55

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.A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 56

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 57

Problema: débilmente integrado a la educación

El RP0 débilmente integrado a la educación

Facilita el cierre

Pobre uso

Poco interés por conocimiento nuclearPoco 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.Zuñi

gaUM

SA-BOL

IVIA

58

1. Hallazgo de la fuente radioactiva2. Identificación de un sistema nuclear de medición (SNM)3. Calibración en energía del sistema4. Determinación de la eficiencia del SNM5. Medición del periodo de semidesintegraciónde una fuente radiactiva6. 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)A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 60

E6)

Boletín MIRADOR NUCLEAR

A.Zuñi

gaUM

SA-BOL

IVIA

61

Referencia: Exp1-FN-RP0

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 62

Física Nuclear1. Características de una cadena nuclear2. Medición de voltaje de trabajo3. Estadística nuclear4. Medición del tiempo muerto5. Medición del periodo de semidesintegración6. Medición de efecto compton, fotoeléctrico y producción de pares7. Medición de eficiencia de fotopico8. Medición de actividades absolutas9. Espectrometría gamma10. Medición de secciones eficaces11. Medición de efecto comptonA.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 63

Física de Reactores1. Características de detectores del reactor2. Medición de voltaje de trabajo3. Medición de tiempo muerto4. Medición de eficiencia5. Medición de masa crítica6. Medición de reactividad por periodo7. Medición de flujo neutrónico8. Producción de radioisótopo9. Medición de espectro neutrónico10. Medición de dosis neutrónica11. Medición de potencia del reactor12. Medición de coeficientes de reactividad

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EXPERIENCIAS

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 65

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 66

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 67

Calibración del multicanal

Análisis de espectrometría gamma

Determinación de la eficiencia de fotopico

Espectro gamma

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EL REACTOR NUCLEAR RP10Características básicas: Combustibles, Flujos, Aplicaciones, Actuales y Perspectivas

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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.A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 70

RP10

Consola del RP10

Boca de Tanque y Pileta Auxialiar

Núcleo Reactor

Posiciones de IrradiaciónA.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 71

72

EL RNI RP10 (Caso Perú)Sala Experimental

Cúpula del RP10

Potencia: 10 MW

Columna térmicaHaz de neutrografiaTubo neumático

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA

Planta de producción de radioisótopos

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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

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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)A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 75

Tabla 1. Utilización de losreactores de investigaciónen la actualidad, [3]

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Tipo de aplicaciónNúmero de reactores de investigación involucrados (a)

Número de estados miembros con la facilidades utilizadas

Educación y entrenamiento 172 54Análisis por activación neutrónica

125 54Producción de radioisótopos 94 45Irradiación de materiales 75 29Radiografía neutrónica 71 40Dispersión de neutrones 50 33Transmutación (dopado de silicio)

31 20Geocronología 25 21Terapia por captura de neutrones en boro (incluyendo investigación y desarrollo)

2313

Transmutación (gemas) 22 13Otros (b) 126 31(a) De los 273 reactores de investigación considerados, 248 estuvieron operativos, 15en 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 datanuclear; y turismo para público y seminarios. Fuente: IAEA Base de datos de reactoresde investigación (marzo 2011)

Matriz de utilización en los RIN

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1. Educación y entrenamiento2. NAA3. Producción de radioisótopos4. Geocronología5. Transmutación de Si6. Radiografía neutrónica7. Estudios de estructura de materiales8. AAN con gamas prontos9. Fuente de positrones10. Terapia por captura de neutrones11. Ensayos

RP10

IAEA

Producción de RI

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A. Robles

IAEA

Reacciones nuclear básicas en la PRI

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IAEA

• Energía del neutrón• Flujo neutrónico• Blanco• Sec. Transv. Reacción

Factores Reac. Nuclear

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PRODUCCIÓN 1990 - 2010

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A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 82IAEA

Activación neutrónica

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React. Inv.

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Activación neutrónica

P. Bedregal

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Descripción del Reactor

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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)

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 87

CON NUEVOS ELEMENTOS COMBUSTIBLES DE SILICIUROCAJA CENTRAL

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NUCLEO 41: Actual

Flujo máximo: 1.5 x 10E14 n/cm2/s

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A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 90

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.

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TEMAS1. El IPENa. Estructura orgánicab. Videoc. Otros2. El reactor nucleara. Reactor nuclear de investigaciónb. El reactor nuclear centralc. La fuentes de neutrones3. Accidentesa. Accidentes nuclearesb. Accidente de Fukushimac. De la Guerra a la Paz4. Usosa. La producción de radioisótopos (A. robles, iridio)b. El análisis multielemental (P.Bedregal)c. Dosimetría neutrones (SEGURIDAD)

5. Educación a. La Educación con los RRb. El RP0c. La física nuclear para iniciantes o practicantesd. Los practicantes6. La física de reactoresa. Criticidadb. Reactividadc. Distribución de neutronesd. Seguridad e. Combustibles7. Perspectivas:a. Extensión de vidab. Modernizaciónc. UtilizaciónLima, 17 de Setiembre de 2016

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EL IPEN

VIDEO 1: IPEN (imágenes, poco volumen)A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 93

EL REACTOR NUCLEAR

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 94

Ejemplos de trabajos:

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1. Distribuciones2. Reactividades3. Quemados4. Dosis5. Tasas de reacciones

1.2 Factor de Pico y Potencia1.1 Carta de Activación

1.3 Distribución Tubo Tangencial

2.2 Tiempo Muerto2.1 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 ActivaciónFlujo Neutrónico

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA

CARACTERISITICAS NUCLEARES

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APROXIMACION A CRITICO

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DISTRIBUCION NEUTRONES

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REACTIVIDAD

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USOS

Dosis neutrónica

Parámetros CR39Neutrografía

GeocronologíaA.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 100

EDUCACIÓN

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Video: parte 1

ACCIDENTES NUCLEARES

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PERSPECTIVAS:

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I. Modernización del reactor y sus sistemas auxiliares, incluido el cambio decombustibles.

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 reactoresde investigación (Regional, usando RP10 y RP0)

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 104

http://www.slideshare.net/acuchozuniga/bienvenida-a-alumnos-de-fsica-en-la-universidad http://www.slideshare.net/acuchozuniga/eslabon-perdido-el-boson-de-higgs

BOLIVIA Y PERU HACIA ATENEA

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 105

Bandas de diabladas es su emblema tradicionalOlor a oro y plata dice su historia encomiable Los colores de su bandera recuerdan a Incas o AymarasInvocando con ello respeto y compromiso con sus raícesVenimos motivados por compartir conocimiento nuclearInvitados por la cortesía fraternal de colegas físicosAmantes de la docencia e investigación rigurosa e integralLa ciudad de Nuestra Señora de la Paz nos esperaAman la paz y la hermandad desde su cunaPerú y Bolivia compartieron entrañas con Pachacutec el LíderAhora con historia y corazón exigen mar propioZares del dinero y la corrupción saquearon sus riquezasUniversidades e institutos de investigación unámonosManejemos nuestros saberes locales lanzándolos al mundoSumémonos a la ciencia de frontera resolviendo nuestros problemasAndinos y amazónicos somos, es nuestra geografía reto y ventaja Portemos el estandarte de la ciencia desde la infanciaEntremos en morenada por la puerta grande a la era del conocimientoRompiendo las cadenas de atávicas jerarquías y paradigmasUniendo corazón, tecnología, y mente encontraremos atajos a la gloria de Atenea

FinMuchas Gracias

A.Zuñiga UMSA-BOLIVIA 106

azuniga@ipen.gob.peagustinrzuniga@gmail.com