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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

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El fenómeno de la fisión nuclear

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Escala temporal de la fisión

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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

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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.)

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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

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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.

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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

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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..

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Desviación estándar de distribución Ek

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Aplicaciones de fisión nuclear: reacción en cadena

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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

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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

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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

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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

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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)

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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)

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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)

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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

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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

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Los haces de neutrones de un reactor de investigación son usados para estudiar las propiedades de materiales.

Reactores de investigación

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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.

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Contacts:www.ipen.gob.pe

Telf. 051-488 5050 ext. 235E-mail: mmontoya@ipen.gob.pe

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