Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP

1. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares Comissão Nacional de Energia Nuclear FUNDAMENTOS DE TECNOLOGIA NUCLEARREATORES NUCLEARESProfessor: Thadeu das Neves Conti CENTRO DE ENGENHARIA NUCLEAR

2. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo O Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN é uma Instituição pertencente ao Governo do Estado de São Paulo, gerida técnica e administrativamente pela Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN e associada à Universidade de São Paulo para Cursos de Graduação e Pós-Graduação

3. Corpo Técnico - IPEN Quantidade Doutores 130 ü Mestres 150 ü Pesquisadores e Tecnologistas 230 ü Técnicos 540 ü Assistentes em Ciência e Tecnologia 63 ü Total 1113 Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP Þ Corpo Técnico Þ Principais Instalações e Atividades Reatores Nucleares (5MW e 100W) Reatores Nucleares (5MW e 100W) • • Prestação de Serviços/ consultoria a Eletronuclear (Angra I e II) • Prestação de Serviços/ consultoria a Eletronuclear (Angra I e II) • Ciclotrons (28MeV e 30MeV) • Ciclotrons (28MeV e 30MeV) • Aceleradores Industriais de Elétrons (37,5kW and 97,5kW) • Aceleradores Industriais de Elétrons (37,5kW and 97,5kW) • Irradiadores de Cobalto-60 (5kCi, 12kCi e Multipropósito de 1.000kCi) • Irradiadores de Cobalto-60 (5kCi, 12kCi e Multipropósito de 1.000kCi) • Produção de Radiofármacos para Medicina Nuclear (ISO 9002) • Produção de Radiofármacos para Medicina Nuclear (ISO 9002) • Enriquecimento de Urânio, em cooperação com a Marinha do Brasil • Enriquecimento de Urânio, em cooperação com a Marinha do Brasil • Produção de Elementos Combustíveis • Produção de Elementos Combustíveis • Þ Þ Área Área 2 500.000m 2 500.000m • •

4. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP AVALIAÇÃO DO CURSO • Prova individual sem consulta sobre os temas abordados • Apresentação do trabalho por todos integrantes do grupo • Deverá ser entregue no dia da apresentação um (trabalho escrito + CD) para o professor e um (trabalho escrito) para cada grupo (total = 6 grupos, 7 pessoas por grupo no máximo) • Data da apresentação • Dia 22/07/2010 - Apresentação dos trabalhos (20 minutos de exposição no máximo) Comunicação por email:tnconti@ipen.br Centro de Engenharia Nuclear - CEN/CENT

5. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP DATAS DO CURSO • 06/julho/10 (3ª-feira) 1ª aula – apresentação da disciplina, divisão dos grupos e história da física moderna • 08/julho/10 (5ª-feira) 2ª aula – física de reatores • 13/julho/10 (3ª-feira) 3ª aula – visita ao reator/pesquisa IPEN-MB01 • 14/julho/10 (4ª-feira) 4ª aula – visita ao reator/pesquisa IEA-R1 • 15/julho/10 (5ª-feira) 5ª aula – termo-hidráulica • 20/julho/10 (3ª-feira) 6ª aula – tipos de reatores • 22/julho/10 (5ª-feira) 7ª aula – entrega dos trabalhos e apresentação dos seminários • 27/julho/10 (3ª-feira) 8ª aula – avaliação

6. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP AVALIAÇÃO DO CURSO • Trabalho em Grupo: • Número total de grupos(6) 1) Descrição de um BWR 2)Descrição de um BWR 3) Descrição de um BWR • 4) Descrição de um HWR • 5) Descrição de um HWR • 6) Descrição de um HWR

7. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP AVALIAÇÃO DO CURSO • Conteúdo do trabalho: • 1)Capa (completa) • 2)Objetivo • 3)Introdução (desenvolvimento da física moderna, histórico e demais informações de interesse referente à reatores) • 4) Descrição detalhada do reator (funcionamento, combustível, transferência de calor, desenhos, vantagens e desvantagens, número de reatores, países) • 8) Conclusões • 9)Referências Bibliográficas (livros, artigos, sítios)

8. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP FUNDAMENTOS DE TECNOLOGIA NUCLEARREATORES NUCLEARES Objetivo: O curso tem a finalidade de dar uma visão geral da física de reatores nucleares, termo-hidráulica e tipos de reatores, bem como algumas aplicações nucleares. Material Didático: A apostila encontra-se disponível naINTERNET DO IPEN,entrar em divisão de ensino, programa de tecnologia nuclear, grade de disciplinas e TNR 5764 Fundamentos de Tecnologia Nuclear módulo reatoresTNR 5764.Apostilae Material de Aula. Avaliação: Será por meio de uma prova individual e de um trabalho em grupocom apresentação do mesmo.

9. FUNDAMENTOS DE TECNOLOGIA NUCLEAR REATORES NUCLEARES • Índice de Assuntos • I- Física de Reatores Nucleares • II- Termodinâmica e Transferência de Calor • III- Tipos de Reatores Nucleares

10. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons I- FÍSICA DE REATORES A . Física de Nêutrons

11. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons Energia Nuclear, Breve Histórico...

12. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • A.1 Introdução • Descoberto do neutron em 1932 James Chadwick (alguns minutos de História)

13. Século V a.C. I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História Energia Nuclear • Teoria atomística edificada por Leucipo e Demócrito (universo formado por partículas indivisíveis, invisíveis, impermeáveis e animadas  Átomo

14. 1803 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Retoma da idéia atomística por John Dalton, para explicar reações químicas.

15. 1811 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Amadeo Avogadro estabeleceu a Hipótese da existência de moléculas (agrupamentos dos átomos) • 1834 • Michael Faraday (leis da eletrólise) os átomos transportavam carga elétrica • Dimitri Mendeleev apresentou a classificação periódica dos elementos – átomos distribuídos - pesos atômicos • 1869

16. Fins do Século XIX (1895) I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Röentgen descobre o Raio-X (atravessava corpos opacos e absorvidos, excitavam subst. fosforescentes e fluorescentes)

17. Fins do Século XIX I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Henri Becquerel, estabeleceu que sais de urânio emitem radiações análogas aos Raios-X (sais de urânio)

18. Fins do Século XIX I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Madame Curie descobriu que o Tório apresentava as características radioativas de Urânio

19. Início do Século XX I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Casal Curie descobriu o Polônio e o Rádio e explicaram a radioatividade como uma propriedade atômica Partícula  Partícula  Raio 

20. Fins do Século XIX I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • J.J. Thomson apresenta o primeiro modelo atômico – “Pudim de ameixas” • TransiçãoFísica Clássica e Moderna • - Prêmio Nobel 1906 • Milikan – carga elétrica do elétron e radioatividade (gotícula de óleo)

21. Início do Século XX I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Ernest Rutherford estabelece o modelo atual do átomo (planetário) através de espalhamento de partículas 

22. 1900 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Max Planck – iniciou a Mecânica Quântica (microfísica) através da teoria dos quanta E = hf

23. 1905-1915 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Albert Einstein – estruturou a Mecânica Relativística (física das altas velocidades). Explicou o efeito fotoelétrico 2 E = MC

24. 1913-1915 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Niels Bohr apresenta seus postulados • Existem órbitas estáveis nas quais os elétrons não emitem radiação – E cte • Emissão ou absorção de radiação corresponde a troca de órbita (quanta) • O momento angular do elétron (spin) é um número inteiro de h/2

25. 1924-1926 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Início da estruturação da mecânica quântica (de Broglie, Schrödinger e Heisenberg)

26. 1932 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Verificada a existência dos nêutrons por Chadwick • A existência do nêutron foi verificada experimentalmente em 1932, por Chadwick. Hoje, aceitamos como constituintes do núcleo as partículas próton e nêutron: é a hipótese próton-nêutron. Essas partículas constituintes do núcleo são denominadas nucleons.

27. 1934 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Fermi verificou que a radioatividade induzida por nêutrons era diferente quando o equipamento estava em mesa de madeira e mármore (???)  moderação (idéia patenteada)

28. 1938 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Otto Hahn e Lise Meitner descobriram a fissão

29. 1939 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Fermi (já nos EUA) e colaboradores mostrou ser possível uma reação em cadeia com nêutrons de fissão • O Governo americano é informado da possibilidade de se fazer um poderoso explosivo com urânio • Liberação de US$1,400,000 para ajudar as pesquisas na Universidade de Columbia • Carta de Einstein ao Presidente Roosevelt

30. 1940 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Criação do NDRC (“National Defense Research Committee”) para pesquisas associadas à defesa • 1941 • Transferência das pesquisas da Universidade de Columbia para a Universidade de Chicago

31. 1942 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Operação do primeiro Reator Nuclear com reação em cadeia auto-sustentada “Chicago Pile”

32. 1955 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Primeiro PWR (Submarino Nautilus)

33. 1956 I- Física dos Reatores Nucleares Alguns minutos de História • Primeiro reator comercial - Calder Hall (Inglaterra)

34. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • A.1 Introdução • Importância: Produção de Radioisótopos Informações sobre as Estruturas Nucleares Pesquisas: Química • Biologia • Medicina Fissão Nuclear

35. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons Átomo

36. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • A.2 Produção de Nêutrons Reações Nucleares • Produção de Nêutrons: • 9Be + 4  12C + 1n(107 n rápidos) • (mistura de Rádio+ Berílio) • partícula  - energia entre - 4,79 MeV - 7,68 MeV • nêutrons - energia entre - 1 MeV - 13 MeV (emite  )

37. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons 9Be ( , n) 8Be • Fotonêutrons: 2D ( , n) 1H • - a energia do nêutron depende do núcleo alvo • Aceleradores:partículas carregadas (elétrons, prótons , , etc) • Reatores Nucleares: fonte mais importante de n • n praticamente monoenergéticos

38. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • A.3 Interação de Nêutrons com a Matéria • Os nêutrons não possuem carga elétrica , não interagem com a eletrosfera do átomo  muito penetrante. • nêutrons perdem energia  interação com o núcleo do átomo. • Formulação Geral: • n + X  Y + g • produto da interação • Núcleo produto • Nêutron • Núcleo alvo

39. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • Dependendo da natureza de g : • a. Espalhamento elástico:g é o nêutron e a energia cinética total se conserva; • b. Espalhamento inelástico:g é o nêutron e a energia cinética total não se conserva ( o núcleo alvo fica excitado); • c. Captura:g é uma ou mais partículas carregadas ( , p,deut) • d. Captura radioativa:g é um raio gama; • e. Fissão:g é um núcleo atômico mais 2 ou 3 nêutrons rápidos.

40. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • A probabilidade de ocorrer cada uma das formas de interação acima depende da energia cinética do nêutron incidente. • Classificação das energias dos nêutrons: • a - Rápida: 0,1 MeV  15 MeV • b - Intermediária: 1 KeV  100 KeV • c - Epitérmica: 1 eV  1 KeV • d - Térmica: menor que 1 eV • Rápida:  0,5 eV Na prática : Térmica:  0,5 eV

41. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons Nêutrons térmicos ( ou lentos ) interagem com o núcleo atômico predominantemente na forma de: • - espalhamento elástico • - captura • - captura radioativa. • Para nêutrons com energia cinética bem definida (monoenergéticos) incidindo em um núcleo alvo bem conhecido , a probabilidade de ocorrer uma das formas de interação é constante e é denominada de seção de choque microscópica () •  tem a unidade de área 1 barn ( b = 10-24 cm2).

42. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • Seção de Choque Macroscópica (  ): • A seção de choque macroscópica total ( T ): • T = ee + ei + c + cr + f No de núcleos atômicos/ cm3 • espalhamento elástico • captura radioativa • espalhamento inelástico • captura • fissão

43. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física deNêutrons I0 ALVO x Variação da intensidade decai intensidade seção de choque total Feixe monoenergético de nêutrons

44. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física deNêutrons intensidade inicial

45. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • Caminho livre médio (  ): • Distância média percorrida pelo nêutron antes de interagir com um núcleo atômico: nêutrons térmicos   é da ordem de 1 cm; • nêutrons rápidos   é da ordem de dezenas de cm. Na prática os nêutrons não estão colimados.

46. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • Na prática, os nêutrons não estão colimados • Fluxo de Nêutrons (( )) z y x

47. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • Taxa de reação ( R ) •  generalizando para todas as energias:

48. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • A.4 Moderação de Nêutrons • A desaceleração de nêutrons rápidos, denominada moderação é importante pois as seções de choque (probabilidade) para os fenômenos de fissão e captura radioativa aumentam com a diminuição da energia do nêutron. - Núcleos alvos leves + nêutron (espalhamento elástico) • Trata-se as interações classicamente (E 200 MeV) • Conservação do momento • Conservação da energia

49. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • Energia cinética máxima perdida por colisão: • onde : • r = razão da energia; • sendo A o número de massa do núcleo alvo; •  = ângulo de deflexão do nêutron; • E1 = energia inicial do nêutron.

50. I- Física dos Reatores Nucleares A . Física de Nêutrons • A probabilidade de um nêutron com energia E1 saia com energia entre E e E+dE é dada por: • O valor : • representa a faixa de variação da energia que o nêutron pode adquirir após a interação ( vai de E1 até E1r).