ME4010: Introducción a la Ingeniería Nuclear

Transcripción

1 : Introducción a la Ingeniería Nuclear Sergio Courtin V. Marzo 2016 Departamento de Ingeniería Mecánica FCFM - Universidad de Chile

2 Historia En 1934, Enrico Fermi, observó que los neutrones térmicos (de pequeña energía) eran absorbidos más fácilmente que los neutrones rápidos (de alta energía). En 1934 bombardeó con neutrones térmicos el U. Sin embargo, no supo identificar el resultado de la fisión nuclear. En 1938 Hann & Strassman identificaron los resultantes de la fisión nuclear. El 2 de diciembre de 1942, como parte del proyecto Manhattan dirigido por J. Robert Oppenheimer, se construyó el primer reactor: el Chicago Pile-1 (CP-1).

3 El neutrón interactúa con el núcleo y hace que éste se fragmente en dos de masas de valor intermedio con respecto a la inicial. Esta reacción es la principal fuente de energía nuclear para fines prácticos.

4 Para todos los elementos con aproximadamente A > 90, es un proceso exoenergético.

5 Para todos los elementos con aproximadamente A > 90, es un proceso exoenergético.

6 Etapas Choque del neutrón con el núcleo. Formación y decaimiento del núcleo compuesto inestable (aproximadamente entre s). Separación del núcleo en 2 fragmentos (o en 3; probabilidad 10 4 ). Emisión de neutrones y gammas instantáneos ( s). Frenado de los productos de fisión ( s). Emisión de neutrones y rayos gamma retardados (hasta varios segundos).

7 Tipos de Nucleidos Nucleidos fisibles: pueden fisionarse con neutrones de cualquier energía. U-233, U-235, Pu-239, Pu-241. Nucleidos fisionables: requieren que el neutrón posea una determinada energía cinética para que se produzca su fisión. U-238, Th-232. Nucleidos fértiles: isótopos fisionables que pueden convertirse en especies fisibles. Th-232 en U-233; U-238 en Pu-239. Si el núcleo blanco tiene los números A y Z de distinta paridad, será fisible. Si A y Z tienen igual paridad, el núcleo será fisionable pero no fisible.

8 Competencia entre Reacciones Con los nucleidos fisibles a bajas energías neutrónicas sólo son posibles tres tipos de interacciones: dispersión elástica, captura radiactiva y fisión. Sin embargo, σ S << σ γ y σ S << σ f.

9 Competencia entre Reacciones

10 Competencia entre Reacciones El cociente entre las secciones eficaces de captura y fisión se denomina razón captura-fisión y se indica por α. α = σ γ σ f Para el U 235, α = 0,175, es decir, la fisión ocurre 6 veces mas que la captura radiativa.

11 Productos de Fisión La rotura del núcleo compuesto formado puede tener lugar de maneras muy variadas, cada una de ellas con una determinada probabilidad. Por ejemplo: 1 0n U Ba Kr n 1 0n U Te Zr n Fisión del U 235 con un neutrón de ev se produce en más de cuarenta formas diferentes más de ochenta productos de fisión primarios.

12 Productos de Fisión

13 Productos de Fisión Nucleidos aún inestables, debido a que poseen una relación N/Z superior a la correspondiente a su estabilidad Son radiactivos. Constituyen padres de cadenas o radiactivas, cada una de las cuales se caracteriza por la emisión de sucesivas partículas β.

14 Productos de Fisión Es muy importante conocer la cantidad de cada uno de los fragmentos de fisión que se produce, este valor se da en % y recibe el nombre de rendimiento de fisión para un nucleido particular.

15 Energía Liberada en la Fisión No toda la energía liberada en el proceso se puede aprovechar. Una parte de la energía asociada al proceso de fisión aparece en el instante de la fisión propiamente tal, mientras que otra se produce con un cierto retardo con respecto a aquella. INMEDIATA: 5 MeV como energía cinética de los neutrones emitidos (2 por fisión aprox.). 6 MeV en fotones (radiación gamma). 165MeV en energía cinética de los productos de fisión. DIFERIDA: 14 MeV en radiactividad (beta y gamma) 10 MeV en forma de neutrinos (escapan del reactor.) La energía que se deposita en el reactor es 190 MeV por fisión, de los que 176 MeV se depositan de forma instantánea, y el resto de forma diferida en el tiempo.