IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
El uranio desde el mineral hasta el reactor nuclear
Modesto Montoya Instituto Peruano de Energía Nuclear y
Universidad Nacional de Ingeniería
Congreso Iberoamericano y Peruano de Química13 – 17 de octubre 2008
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Esquema de presentación
1. La fisión del uranio 235.2. Distribución de masas de los fragmentos de fisión
3. Multiplicidad neutrónica
4. Energía cinética de los fragmentos de fisión.
5. Energía liberada en la fisión.
6. Obtención del uranio 235
7. Reacción en cadena y principios del reactor nuclear.
8. Reactor de potencia.
9. Reactor de investigación.
10. Conclusiones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
El fenómeno de la fisión nuclear
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Escala temporal de la fisión
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Esquema de presentación1. La fisión del uranio 235.
2. Distribución de masas de los fragmentos de fisión
3. Multiplicidad neutrónica
4. Energía cinética de los fragmentos de fisión.
5. Energía liberada en la fisión.
6. Obtención del uranio 235
7. Reacción en cadena y principios del reactor nuclear.
8. Reactor de potencia.
9. Reactor de investigación.
10. Conclusiones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Rendimiento de masas
Fisión de uranio 235 inducida por neutrones. Rendimiento de masa, según simulación Monte Carlo a ser comparada con resultados experimentales (tomada de Belhafaf et al.)
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Esquema de presentación
1. La fisión del uranio 235.
2. Distribución de masas de los fragmentos de fisión
3. Multiplicidad neutrónica
4. Energía cinética de los fragmentos de fisión.
5. Energía liberada en la fisión.
6. Obtención del uranio 235
7. Reacción en cadena y principios del reactor nuclear.
8. Reactor de potencia.
9. Reactor de investigación.
10. Conclusiones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Multiplicidad neutrónica
El promedio de neutrones emitidos de la fisión del 235 U como función de la masa primaria A ( ), y la masa del fragmento ( ) △ ⊙ambos como resultado de simulación Monte Carlo, a ser compa-rada con los resultados experimentales. (•) de Nishio et al.
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Esquema de presentación
1. La fisión del uranio 235.
2. Distribución de masas de los fragmentos de fisión
3. Multiplicidad neutrónica
4. Energía cinética de los fragmentos de fisión.
5. Energía liberada en la fisión.
6. Obtención del uranio 235
7. Reacción en cadena y principios del reactor nuclear.
8. Reactor de potencia.
9. Reactor de investigación.
10. Conclusiones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Energía cinética (Ek) promedio
Resultados de simulación Monte Carlo de la energía promedio de fragmentos finales ( ) y fragmentos primarios , a ser compara-⊙ △dos con los datos experimentales (•) tomados de Belhafaf et al..
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Desviación estándar de distribución Ek
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Aportes recientes
• Monte Carlo Simulation for fragment mass and kinetic energy distribution from neutron-induced fission of 235U, M. Montoya, E. Saettone, J. Rojas, Revista Mexicana de Física 53 (5) 366-370, octubre 2007
• Effects of Neutron Emisión on Fragment Mass and Kinetic Energy Distribution from Thermal Neutron Induced Fission of 235U, M. Montoya, E. Saettone, J. Rojas, AIP Conf. Proc., October 26, 2007, Volume 947, pp. 326-329, VII Latin American Symposium on Nuclear on Nuclear Physics and Applications.
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Aportes recientes
• Monte Carlo Simulation for fragment mass and kinetic
energy distribution from neutron-induced fission of 233
U, M. Montoya, I. Lobato, J. Rojas, a ser publicado.
• Hemos calculado las configuraciones más compactas
en la fisión del uranio 233 inducida por neutrones
térmicos.
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Esquema de presentación
1. La fisión del uranio 235.
2. Distribución de masas de los fragmentos de fisión
3. Multiplicidad neutrónica
4. Energía cinética de los fragmentos de fisión.
5. Energía liberada en la fisión.
6. Obtención del uranio 235
7. Reacción en cadena y principios del reactor nuclear.
8. Reactor de potencia.
9. Reactor de investigación.
10. Conclusiones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Energía liberada en la fisión
• En cada fisión de un núcleo de uranio 235, la suma de las masas de los productos de fisión es menor que la masa del uranio 235.
• De acuerdo a la fórmula de Einstein E = mc2, se calcula que la diferencia de masas es el del orden de 200 MeV de energía, la que se libera como energía cinética de los fragmentos y de la radiación y partículas emitidas.
• Eso significa que la energía liberada por un kg de uranio 235 es equivalente a la liberada por 2 400 toneladas de carbón.
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Esquema de presentación
1. La fisión del uranio 235.
2. Distribución de masas de los fragmentos de fisión
3. Multiplicidad neutrónica
4. Energía cinética de los fragmentos de fisión.
5. Energía liberada en la fisión.
6. Obtención del uranio 235
7. Reacción en cadena y principios del reactor nuclear.
8. Reactor de potencia.
9. Reactor de investigación.
10. Conclusiones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
El mineral de uranio debe ser procesado para obtener la “pasta amarilla” un concentrado de óxidos de uranio. El uranio natural contiene 99.3% de U 238 y 0.7% de U 235
Obtención del uranio 235
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
El enriquecimiento por entrifugadoras de gas se basa en el hecho que en rotación los elementos pesados se alejan del centro de rotación, lo que permite separalos de los livianos. El U 238 se separa del U 235.
Enriquecimiento por centrifugación
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Se hace pasar un gas de compuesto de uranio a través de membranas porosas.
Se requiere miles de membranas.
Las plantas de enriquecimiento son grandes.
Enriquecimiento por difusión gaseosa
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Atomic vapor laser
isotope separation
(AVLIS)
Determinadas longitude de onda son abosrbidas por el uranio 235, ionizándolo, lo que permite separlo del uranio 238.
Enriquecimiento por difusión gaseosa
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Esquema de presentación1. La fisión del uranio 235.
2. Distribución de masas de los fragmentos de fisión
3. Multiplicidad neutrónica
4. Energía cinética de los fragmentos de fisión.
5. Energía liberada en la fisión.
6. Obtención del uranio 235
7. Reacción en cadena y principios del reactor nuclear.
8. Reactor de potencia.
9. Reactor de investigación.
10. Conclusiones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Aplicaciones de fisión nuclear: reacción en cadena
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Los neutrones emitidos por los fragmentos de fisión de uranio 235 en una barra de combustible son moderados en el agua (entre las barras de combustible) para que puedan fisionar núcleos de uranio 235 de otras barras de combustible y mantener la reacción en cadena.
Moderación de neutrones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
En Gabón, Africa, quedan los residuos radiactivos de un reacción de fisión natural que ocurrió hace 1 700 millones de años.
Reacción en cadena natural de fisión
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Esquema de presentación
1. La fisión del uranio 235.
2. Distribución de masas de los fragmentos de fisión
3. Multiplicidad neutrónica
4. Energía cinética de los fragmentos de fisión.
5. Energía liberada en la fisión.
6. Obtención del uranio 235
7. Reacción en cadena y principios del reactor nuclear.
8. Reactor de potencia.
9. Reactor de investigación.
10. Conclusiones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
La energía liberada en la fisión nuclear calienta un fluido para generar energía eléctrica, la que es transmitida a la red eléctrica.
Debido al calentamiento global por quema de combustible fósil, se ha reactivado el interés por la energía nuclear.
Reactores de potencia eléctrica
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Reactores de agua presurizada (PWR): Un circuito primario de en-friamiento y un secundario hacia la turbina. 80 – 100 tons de uranio enriquecido. Agua 325 C a 150 atms. El agua es moderador: si se evapora, el reactor para.
Tipos de reactores: (PWR)
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Reactores de agua hirviendo (BWR): Similar al PWR, pero con un circuito de enfriamiento de agua 285 C y a 75 atms. 12 – 15% de agua como vapor en la parte superior del núcleo. 140 tons de uranio enriquecido.
Tipos de reactores: (BWR)
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Desarrollado los 50s por Canadá: Combustible de uranio natural (0.7 uranio 235). Refrigerado y moderado por agua pesada a 290 C y alta presión. Tiene circuito primario y circuito secundario.
Reactor de agua pesada presurizada (PHWR o CANDU)
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Agua hierve a 290 C. Uranio ligeramente enriquecido. Usado para producir plutonio. Cuando sube la tempera-tura del agua y se convierte en vapor, pero grafito sigue moderando y aumenta potencia.
Reactor RBMK
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Esquema de presentación
1. La fisión del uranio 235.
2. Distribución de masas de los fragmentos de fisión
3. Multiplicidad neutrónica
4. Energía cinética de los fragmentos de fisión.
5. Energía liberada en la fisión.
6. Obtención del uranio 235
7. Reacción en cadena y principios del reactor nuclear.
8. Reactor de potencia.
9. Reactor de investigación.
10. Conclusiones
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Los haces de neutrones de un reactor de investigación son usados para estudiar las propiedades de materiales.
Reactores de investigación
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Conclusiones
• Las mayores aplicaciones actuales de la fisión
nuclear del uranio son los reactores nucleares de
potencia y los reactores nucleares de investigación.
• La amenaza de del calentamiento global generada
por la quema de combustibles fósiles ha
reimpulsado el interés en los reactores nucleares de
potencia y en la investigación de la fisión nuclear.
• En el Perú se investiga aspectos de la dinámica de la
fisión nuclear.
IPEN : Ciencia y tecnología para la competitividad Cusco, 17 octubre 2008
Contacts:www.ipen.gob.pe
Telf. 051-488 5050 ext. 235E-mail: [email protected]
Instituto Peruano de Energía Nuclear