MB-01. Reinaldo de Melo Maeda - KIPDF.COM
AUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Determinação Experimental de Parâmetros de Física de Reatores Utilizando Refletor de Água Pesada no R...
Author: Leonardo Madureira Marreiro
Maeda Hiramasa Sensei
Reinaldo Cadenas ( ) Universidad de Los Andes
Reinaldo Arenas, escritor neobarroco?
Prof. Reinaldo Guerreiro 1
MERCADO SOLIDARI0 ARMANDO DE MELO LISBOA
Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Mestre em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear - Reatores Orientador: Prof. Dr. Adimir dos Santos
Dedico esta dissertação, resultado do esforço de muitos, à minha família.
Agradeço à minha família por tudo. E também, às demais pessoas que contribuíram para que isto se concretizasse, dentre eles, em especial, Celso Garnica Mota, Marcelo Luís Ramos Coelho, Carlos Eduardo Lopes da Cruz e Rudá Corrêa da Costa Junior, pelas motivações e incentivos. Aos colegas do Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo, CF(EN) Honaiser, CC(EN) Silva Serra, Alfredo Yuuitiro Abe e Rinaldo Fuga, sem os quais as dificuldades enfrentadas seriam maiores. Ao pessoal do Reator Nuclear IPEN/MB-01, Ulysses d'Utra Bitelli, Rogério Jerez, Ricardo Diniz, César Luiz Veneziani, Reginaldo Gilioli, Marco Antonio Sabo e Monteiro A todo o pessoal do Centro de Coordenação de Estudos da Marinha em São Paulo, pelo inestimável apoio prestado. À Marinha do Brasil. Ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares. Ao professor, e orientador, Dr. Adimir dos Santos.
"If I have seen further it is by standing on the shoulders of giants." ( Se vi mais longe foi por estar sobre os ombros de gigantes). Sir Isaac Newton
This work presents the accomplishiment of experiments in the IPEN/MB-01 research nuclear under presence of a heavy water reflector installed in its western wall. After reflector's assembly in the reactor, three types of experiments were conducted: The control rod calibration, the check of temperature's influence increasing under reactivity and the measurement of reaction rates by means wires and foil's activation. Due to the properties of neutron interaction with heavy water, especially their high scattering and low absorption cross sections, pattern changes operation could be observed by the control rods moving inside the core. These observations will be the focus of this work
LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIGURA 2.1
Vista frontal do esquema de montagem da caixa refletora de água pesada no núcleo do reator.
Vista superior da montagem da caixa refletora de água pesada no núcleo do reator.
Perfil dos fluxos térmicos e rápidos na interface núcleo e refletor para um reator refletido.
Vista em perspectiva da caixa refletora, refletor, que foi instalada no núcleo do reator.
Três vistas da caixa refletora que foi instalada no núcleo do reator.
Desenho esquemático mostrando um corte do tanque moderador onde se encontra o núcleo e o posicionamento da caixa refletora após sua instalação na face oeste.
Procedimento para enchimento do refletor com água leve.
Procedimento para enchimento do refletor com água pesada.
Diagrama esquemático mostrando o posicionamento inicial das barras de controle com a BC 1 totalmente inserida e a BC 2 totalmente retirada.
Diagrama esquemático do tanque moderador mostrando a distribuição dos detectores em torno do núcleo.
Diagrama esquemático da disposição das placas de sustentação do núcleo e das varetas e as cotas das varetas combustíveis e de controle/segurança.
Frequência das posições do banco de controle BC2 versus a posição para um dado estado crítico.
Posicionamento horizontal de termopares no núcleo.
Reatividade ao longo do tempo no decorrer dos experimentos de calibração de barras de controle.
Perspectiva em detalhes do refletor.
Vistas em detalhes do refletor e o seu posicionamento em relação ao Núcleo Ativo.
Gráfico da evolução da temperatura ao longo dos experimentos. Medições de 12 termopares posicionados em diferentes posições do núcleo.
Régua onde se fixam o fio ou a folha do ouro para a irradiação.
Corte transversal do núcleo na cota correspondente à metade do comprimento ativo das varetas mostrando o posicionamento da régua para irradiação do fio e da folha no núcleo do reator.
Mecanismo com a régua fechada.
Mecanismo com a régua aberta.
Vista do mecanismo introduzido e encaixado no núcleo com a régua fechada.
Vista do mecanismo introduzido e encaixado no núcleo com a régua aberta.
Diagrama de blocos do sistema de detecção e contagem.
Princípio do detector semicondutor de HPGe.
Gráfico mostrando a curva de irradiação, em azul e em vermelho, a curva de decaimento, a partir do fim da irradiação em (t,A0).
Diagrama esquemático mostrando os efeitos da cobertura de cádmio.
Curva de calibração da barra de controle BC2 para o núcleo operando com refletor cheio de água leve.
Curva de calibração da barra de controle BC2 para o núcleo operando com refletor de água pesada.
Gráfico com variação da reatividade de acordo com o aumento da temperatura do moderador para o núcleo opeando com refletor de água leve.
Gráfico com variação da reatividade de acordo com o aumento da temperatura do moderador para o núcleo opeando com refletor de água pesada.
Atividade de saturação térmica normalizada numa seção transversal do núcleo, no canal 14-15 e na metade do comprimento ativo das varetas combustíveis.
Fluxo térmico obtido com o MCNP numa seção transversal na metade do comprimento ativo das varetas combustíveis.
Comparação entre os resultados experimentais e os calculos pelo MCNP. Seção transversal do núcleo, no canal 14-15 e na metade do comprimento ativo das varetas combustíveis.
Gráfico para a folha nua irradiada no núcleo com refletor de D2O.
Gráfico para a folha coberta com Cd irradiada no núcleo com refletor de D2O.
Gráfico para a folha nua irradiada no núcleo sem refletor.
Gráfico para a folha coberta com Cd irradiada no núcleo sem refletor.
Vista aérea do reator IPEN/MB–01
Diagrama esquemático das placas matriz e espaçadoras.
Diagrama esquemático das cavidades e furos da placa matriz.
Diagrama esquemático das placas suporte.
Detalhes da placa suporte inferior.
Diagrama esquemático das especificações da vareta combustível.
Diagrama esquemático das varetas absorvedoras.
Bancada experimental para espectrometria gamma de folhas.
Fotografias dos equipamentos que compõem a bancada experimental do sistema de aquisição de dados da ORTEC.
Sistema para espectrometria gamma dos fios de ouro.
Diagrama esquemático da bancada experimental com detector HPGe da CANBERRA.
Fotografias dos equipamentos que compõem a bancada experimental do sistema de aquisição de dados da CANBERRA.
FIGURA D.6
Diagrama esquemático do sistema de movimentação do suporte de fios de ouro.
FIGURA D.7
Diagrama em Blocos do Sistema de Movimentação.
FIGURA D.8
Tela para a entrada dos dados.
LISTA DE TABELAS TABELA 1.1
Valores de  para diversos núcleos alvos
Parâmetros de colisão
Poder de moderação e Razão de moderação
Parâmetros Experimentais de Nêutrons Atrasados do Reator IPEN/MB-01.
Dados medidos para a calibração das barras de controle. Refletor cheio de água leve.
Tratamento estatístico para obtenção da reatividade,
Dados medidos para a calibração das barras de controle. Refletor cheio de água pesada.
Tratamento estatístico para a obtenção da reatividade, Refletor cheio de água pesada.
Retirada de BC2 em função da temperatura do moderador. Refletor de água leve.
Retirada de BC2 em função da temperatura do moderador. Refletor de Água Pesada.
Características dos detectores de fios e folhas de ativação.
Posições das BC igualmente retiradas para o estado crítico.
Valores integrais da reatividade das barras de controle. Configuração padrão com refletor cheio de água leve.
Parâmetros de ajustamento de curva A1, A2, x0 e dx para os dados experimentais de reatividade da BC2. Refletor cheio de água leve.
Valores integrais da reatividade das barras de controle. Configuração padrão com refletor cheio de Água Pesada.
Parâmetros de ajustamento de curva A1, A2, x0 e dx para os dados experimentais de reatividade da BC2. Núcleo com refletor cheio de água pesada.
Medidas do Excesso de Reatividade.
Variação da reatividade com o aumento da temperatura. Núcleo operando com refletor de água leve.
Variação da reatividade com o aumento da temperatura. Núcleo operando com refletor de água pesada.
, em pcm.
Medidas da variação de reatividade com a temperatura.
Resultado das atividades de saturação para o reator operando com refletor de água pesada.
Valores da Razão de Cádmio utilizado nos cálculos da atividade de saturação térmica.
Resultado das atividades de saturação térmicas.
Atividade de saturação dos fios para o refletor com água leve.
Atividades de saturação dos fios para o refletor com água pesada.
Atividade de saturação térmica.
Razões de Cádmio.
Atividades iniciais para as folhas nuas e cobertas com Cd irradiadas no reator operando com refletor de D2O e sem refletor, respectivamente.
Resultado das Atividades de Saturação para reator operando com refletor de D2O.
Resultado das Atividades de Saturação para reator operando sem refletor.
Dados geométricos médios das placas espaçadoras, baseados nos dados de fabricação.
Dados médios das varetas combustíveis e respectivos desvios padrões baseados nos dados de fabricação.
Composição do aço inoxidável do encamisamento (% peso).
Características dos combustíveis por lote.
Composição dos materiais.
Análise do moderador do reator IPEN/MB-01
Características dos equipamentos da bancada experimental de espectrometria gama.
Características dos equipamentos da bancada experimental de espectrometria gama de varetas combustíveis.
Módulos eletrônicos que compõem o sistema de movimentação.
Módulos eletrônicos que compõem o sistema de movimentação desenvolvidos no IPEN.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AIEA
Atomic International Energy Agency
Barra de controle ou banco de controle
Barra de controle ou banco de controle nº 1
Barra de controle ou banco de controle nº 2
CANDU CDTN CIC CNEN CP-3
Canadian Deuterium Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear Câmara de ionização compensada Comissão Nacional de Energia Nuclear Chicago Pile – Reator 3
Energia do nêutrons num instante anterior a uma interação
Energia do nêutrons num instante posterior a uma interação
Empresa Neuquina de Servicios de Ingenieria
Instituto de Energia Atômica. É a designação antiga do atual IPEN
IEA-R1 IPEN IPEN/MB-01
Instituto de Energia Atômica- Reator nº 1 Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares/Marinha do Brasil Rator nº 1
LABVIEW MAB
Mecanismo de acionamento de barra de controle
National Research X-metal / National Research eXperimental
Posição da barra de controle
Unidade de medida de reatividade
Poder de moderação de um material
PWR RM RMB T TAB. u
Pressurized Water Reactor – Reator de Água Pressurizada Razão de moderação de um material Reator Multipropósito Brasileiro Temperatura Tabela Letargia
LISTA SÍMBOLOS 
Razão do número de massa
Fração de nêutrons atrasados
u
Decréscimo médio logarítmico de energia por colisão
Ttempo de geração de nêutrons prontos
Seção de choque macroscópica
Seção de choque microscópica
Indicam a posição de uma barra de controle Deutério
Coeficiente, ou fator, de multiplicação
keff MeV
Coeficiente, ou fator, de multiplicação efetivo Mega elétron-Volt
1. INTRODUCÃO ..................................................................................................
1.1. Fundamentos teóricos ...................................................................................
2. OBJETIVO ..........................................................................................................
3. REVISÃO DA LITERATURA ..........................................................................
4. MATERIAIS E MÉTODOS ..............................................................................
4.1. A água pesada e a caixa refletora .................................................................
4.2. Calibração de barras de controle ..................................................................
4.2.1. Descrição geral ................................................................................
4.2.2. O Método da Cinética Inversa para medidas de reatividade e o sistema de aquisição de dados .........................................................
4.2.3. Obtenção dos valores médios de reatividades e erros devido às incertezas dos parâmetros cinéticos .................................................
4.2.4. A calibração das barras de controle para o reator operando com refletor cheio de água leve ...............................................................
4.2.5. A calibração das barras de controle para o reator operando com refletor cheio de água pesada ...........................................................
4.3. Influência da temperatura ..............................................................................
4.3.1. Influência da temperatura com refletor cheio de água leve .............
4.3.2. Influência da temperatura com refletor cheio de água pesada .........
4.4. Irradiação de fios e folhas de ouro ................................................................
4.4.1. Mecanismo de suporte de fios e folhas de ativação para Irradiação no núcleo ..........................................................................................
4.4.2. Os sistemas de detecção e contagem ...............................................
4.4.3. Técnica de ativação neutrônica ........................................................
4.4.4. Atividade de saturação obtida a partir de um sistema de contagem...........................................................................................
4.4.5. Atividade de saturação térmica ........................................................
5. RESULTADOS E ANÁLISES ..........................................................................
5.1. Curvas de calibração de barras de controle ...................................................
5.1.1. A reatividade introduzida pelo refletor, suportes e estruturas ............
5.1.2. Refletor cheio de água leve .................................................................
5.1.3. Refletor cheio de água pesada ............................................................
5.1.4. Comparação do excesso de reatividade entre os casos refletor cheio de água leve e refletor cheio de água pesada .....................................
5.2. Reatividades para a variação de temperatura ................................................
5.2.1. Variação de temperatura para o núcleo com o refletor cheio de água leve .....................................................................................................
5.2.2. Variação de temperatura para o núcleo com o refletor cheio de água pesada .................................................................................................
5.2.3. Comparação da variação de retividade com a temperatura entre os casos refletor cheio de água leve e refletor cheio de água pesada .................................................................................................
5.3. Taxas de reação .............................................................................................
5.3.1. Taxa de reação térmica a partir de detectores de folhas de ouro cobertas com cádmio e nuas ...............................................................
5.3.2. Taxa de reação térmica a partir de detectores de fios de ouro cobertos com cádmio e nus ................................................................
5.3.3. Distribuição de fluxo e perfil da taxa de reação termica com MCNP ................................................................................................
6. CONCLUSÕES ..................................................................................................
7. ANEXOS .............................................................................................................
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................
Os Reatores Nucleares a cada dia ganham espaço no mundo, seja para a produção de energia elétrica, como os reatores de potência, ou para atividades acadêmicas, de pesquisa e de produção de radioisótopos para a indústria e medicina, como no caso dos reatores de pesquisa. No Brasil, temos as Usinas Nucleares Angra 1, Angra 2 e Angra 3 (em construção) que são reatores nucleares de potência, refrigerados à água pressurizada (PWR – Pressurized Water Reactors), produzindo energia elétrica para a população. Além disso, há reatores de pesquisa, como o IEA-R1 e o IPEN/MB-01, ambos localizados no IPEN – Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, que são utilizados para produção de radioisótopos, fins acadêmicos e científicos. A necessidade de utilização dos reatores nucleares de maneira econômica e segura exige que se tenham boas condições de projeto e análise neutrônica dos mesmos. A área de Física de Reatores desempenha uma função primordial nesse aspecto, simulando todo o comportamento dos vários parâmetros neutrônicos como reatividade durante o período de vida do reator nuclear. Controlar um reator significa manusear com segurança o sistema a fim de se obter um resultado desejado, e por isso é importante que se tenha boa estimativa dos parâmetros envolvidos no reator. Vários são os parâmetros que alteram a reatividade de um reator nuclear, por exemplo, a temperatura de operação (condições termohidráulicas) e o consumo do combustível nuclear. A simulação desses vários parâmetros neutrônicos é efetuada por códigos de computador especialmente projetados para esse propósito. Exemplos típicos são os códigos HAMMER-TECHNION [1] e CITATION [2] . Em decorrência desse aspecto é de fundamental importância a existência de problemas padrões (benchmarks) para a validação desses códigos e biblioteca de dados nucleares associadas. Nesse aspecto o reator IPEN/MB-01 pode dar uma contribuição fundamental pelo fato de ser um sistema de características e de composições bem estabelecidas.
Um dos grandes problemas atuais da área nuclear refere-se à produção de radioisótopos para aplicação na medicina nuclear. Após sofrer defeito em seu reator nuclear, em maio de 2009, a empresa canadense MDS Nordion, responsável por 40% do fornecimento mundial de molibdênio-99, interrompeu suas atividades, causando uma crise no mercado de radiofármacos e, consequentemente, na área da medicina nuclear. Radiofármacos são fármacos radioativos utilizados no diagnóstico ou tratamento de doenças e disfunções do organismo humano (fármaco é qualquer droga utilizada com fim medicinal). Até então, somente cinco reatores atendiam à demanda mundial. Hoje, apenas três estão operando, o que contribui para agravar a crise. O molibdênio-99 importado serve para produzir geradores de tecnécio-99m, o radiofármaco usado em mais de 80% dos procedimentos adotados na medicina nuclear, cujo papel é fundamental no diagnóstico de doenças associadas ao coração, fígado, rim, cérebro, pulmão, tireóide, estômago e sistema ósseo, entre outras. Em termos de massa, o Brasil consome cerca de 1 mg por semana de tecnécio-99m. É importante destacar que, por se tratar de uma questão de saúde, os países produtores atendem prioritariamente a suas demandas internas, comercializando apenas o excedente de produção. Além disso, a medicina nuclear é uma das especializações que mais crescem no mundo. Todos os reatores comerciais têm idade superior a 40 anos, próximos do encerramento da sua vida útil [3]. No Brasil, a evolução da medicina nuclear seguiu o padrão internacional, tendo hoje a relevante participação de 4,4% do mercado mundial. Isso corresponde a mais de 3 milhões de procedimentos médicos por ano. No entanto, em termos per capita, esse atendimento ainda é proporcionalmente inferior a muitos países como a Argentina (2,6 vezes menor) e os Estados Unidos (6,2 vezes menor), o que torna inevitável o crescimento da área. A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), dentro de suas atribuições legais, vem executando por meio de sua unidade conveniada, o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN/CNEN-SP), mais de 95% das atividades inerentes ao monopólio federal relativo à produção de radioisótopos de meia-vida acima de 120 minutos [4]. Em maio de 2010, o ministro da Ciência e Tecnologia, Sérgio Rezende, anunciou a liberação pelo Conselho do Fundo Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico, vinculado a seu ministério, de R$ 50 milhões para a elaboração o projeto básico e licenciamento ambiental do Reator Multipropósito Brasileiro (RMB). O investimento total, distribuído ao longo de seis anos, é de R$ 850 milhões. O empreendimento, de concepção inteiramente nacional, dotará o país de um reator nuclear e instalações associadas, com capacidade para prestar os seguintes serviços ao país: produzir radioisótopos e fontes radioativas para a saúde, indústria, agricultura e meio ambiente, realizar testes de irradiação de materiais e combustíveis nucleares, realizar pesquisas científicas e tecnológicas com feixes de nêutrons [5]. Um dos principais componentes do RMB é o refletor de água pesada (D 2O). Esse refletor tem a função principal de expandir a área de irradiação de materiais tornando possível a produção simultânea de vários radioisótopos de interesse à medicina nuclear, à indústria e agricultura. Além disso, no refletor de água pesada será possível a irradiação de materiais de interesse para a área de Engenharia Nuclear e várias outras atividades importantes. De interesse fundamental para o projeto do RMB será o impacto causado por esse tipo de refletor nas características neutrônicas do núcleo reator, decorrente das propriedades nucleares da água pesada.
1.1. Fundamentos teóricos Uma das principais razões para a utilização da água pesada nos reatores decorre das suas propriedades de moderação e reflexão de nêutrons. Recorda-se que os núcleos leves tem a capacidade de diminuir muito a energia cinética dos nêutrons nas coliões elásticas. Isto pode ser comprovado por meio do fator , que relaciona as energias cinéticas antes e após as colisões numa única interação [6].
Onde, os índices a e d referem-se a situação antes e depois, e  é a a razão do número de massa (A) do núcleo alvo dada por:
O valor de  varia desde zero e tende para o valor 1 quando o número de massa cresce. Como mostrada pela equação (1.1), a energia cinética do nêutron após a colisão elástica pode ser reduzida de uma pequena fração ou totalmente perdida dependendo da massa (A) do núcleo colidido, como se demonstra na TAB. 1.1. Conforme-se vê,  tende para um com o crescimento do número de massa, portanto, os núcleos pesados possuem pouca capacidade de diminuição de energia após uma colisão elástica, ao contrário dos núcleos leves.
TABELA 1.1 – Valores de  para diversos núcleos alvos. Núcleo
Na última coluna da TAB. 1.1 apresentam-se os valores médios da perda de energia1, observando-se que os núcleos leves, como o do H e do D, promovem a perda de aproximadamente 50% da energia incidente do nêutron. Sussessivamente a cada colisão os nêutrons vão perdendo energia. Desta forma, a partir de uma determinada energia de referência (E0), a cada colisão o nêutron tem sempre uma quantidade de menor de energia (E). Para quantificar esse comportamento foi
Obtida a partir da expressão da média ̅
utilizado o conceito de letargia (u) [7], que comporta-se de modo oposto à diminuição da energia E, sendo expressa por:
À medida que a energia diminui o nêutron fica mais letárgico. Em termos médios, a variação da letargia entre sussessivas colisões é expressa apenas como função do número de massa [8]. É chamada de decréscimo médio logarítmo de energia por colisão2:
Na TAB. 1.2 apresentam-se os valores da letargia de alguns materiais, destacando-se os de interesse: Do hidrogênio, da água comum, do deutério e da água pesada.
Obtida a partir da expressão da média ̅̅̅̅
23 TABELA 1.2 – Parâmetros de colisão3 Núcleo
0,920+
0,509+
H20 Deutério
D20 Berílio
* Não definido + Um valor médio adequado
A partir do decréscimo médio logarítmo de energia por colisão pode-se determinar o número médio de colisões necessárias para que se atinja um determinado valor de letargia média, tendo o nêutron uma energia inicial E0 [9].
A fim de permitir uma melhor comparação dos materiais moderadores estabelecem-se duas novas grandezas, o poder de moderação (PM) e a razão de moderação (RM), levando-se em consideração a densidade atômica e as seções de choque de espalhamento elástico e de absorção [10].
Adptado de Lamarsh, J. R. Introduction to Nuclear Reactor Theory.
Todas essas informações podem ser resumidas e exemplificadas para alguns materias na TAB. 1.3.
TABELA 1.3 – Poder de moderação e Razão de moderação Nuclídeo
A avaliação do moderador é mais eficiente tomando-se por base o poder de moderação, pois este leva em consideração a probabilidade de espalhamento elástico dos nêutrons com o moderador. No entanto, as interações podem ainda resultar em absorções e esta possibilidade é representada pela razão entre o poder de moderação e a seção de choque de absorção, grandeza esta definada como Razão de Moderação (RM). Da análise da TAB. 1.3 conclui-se que os melhores moderadores são aqueles núcleos ou substâncias de baixo número de massa. A água comum é o melhor moderador apresentando o maior poder moderador entre os materiais listados. Porém, devido à sua elevada seção de choque de absorção, comparado com outros moderadores, sua razão de moderação resulta muitas vezes menor que a da água pesada. E, deste modo, para utilização como um refletor de nêutrons, fica demonstrado que os materiais mais indicados são, respectivamente, a água pesada, o carbono e o berílio.
O objetivo principal desse trabalho é a realização de experimentos de medida de parâmetros neutrônicos do núcleo do reator IPEN/MB-01 quando um refletor cheio de água pesada é instalado na sua face oeste. A relevância desta implementação é observada na elação do fluxo de nêutrons nas adjacências da região refletora. Deste modo, forma-se nestas interfaces um local de fluxo elavado que expande a área de irradiação, tornando possível seu aproveitamento sem que haja necessidade de interferências no interior do núcleo, como no casos de irradiação de materiais para testes e produção de radioisótopos, além de outras variadas finalidades. As FIG. 2.1 e 2.2 mostram, respectivamente em vista frontal e em vista superior, os desenhos esquemáticos de montagem do refletor de água pesada no núcleo do reator IPEN/MB-01.
FIGURA 2.1 – Vista frontal do esquema de montagem da caixa refletora de água pesada no núcleo do reator.
FIGURA 2.2 – Vista superior da montagem da caixa refletora de água pesada no núcleo do reator.
Os parâmetros neutrônicos a serem medidos são: Reatividade integral e diferencial das barras de controle, coeficiente isotérmico de reatividade, mapeamento do fluxo neutrônico na região ativa do núcleo e no refletor e ganho de reatividade considerando as situações sem caixa refletora de água pesada e com caixa refletora de água pesada. O reator IPEN/MB-01 pode ser considerado de extrema importância em estabelecer parâmetros experimentais para a validação de modelos de cinéticas de sistemas críticos, em virtude de ser considerado benchmark internacional em vários experimentos de
configurações crítica [11][12], bem como em vários outros experimentos clássicos de Física de reatores [13]. Portanto, os experimentos visam também a obtenção de dados que permitam comparar o desempenho do reator nuclear IPEN/MB-01 operando com o refletor de água pesada, conforme descrito acima, e sem o refletor de água pesada. É esperado que nestas condições de operação haja mudanças na reatividade do núcleo do reator quando comparando com uma situação com o refletor cheio de água leve e sem o refletor. O que, por sua vez, alterará os padrões de inserção ou retiradas de barras de controle devido a uma alteração do fluxo neutrônico.
A energia advinda de um reator origina-se das reações nucleares que ocorrem no seu núcleo a partir das fissões. De modo sintético, a fissão nuclear é o processo de divisão dos núcleos de U235, em dois outros, ou mais, elementos menores, após ter havido interação com nêutrons. Nesta interação, o núcleo absorve, ou captura, um nêutron incidente resultando na fissão. Cada divisão é acompanhada de liberação de energia, aproximadamente 200 MeV, e mais outros nêutrons. Em média, cada fissão no U235 produz 2,5 novos nêutrons. Este fenômeno é o que permite a utilização da fissão como fonte de energia, pois, sob certas condições, os novos nêutrons produzidos podem atingir novos núcleos e, assim, este processo se propaga em uma reação em cadeia autossustentada controlada [14] [15]. Um reator nuclear é um conjunto de equipamentos, projetados e construídos, para que tais reações de fissão em cadeia autossustentada ao longo do tempo sejam realizadas de modo seguro e controlada, permitindo a contínua utilização da energia liberada. O núcleo do reator é a região que contém o material físsil, dispostos em elementos combustíveis, sobre os quais os nêutrons incidem. A quantidade de material físsil e a geometria do seu arranjo são definidas em projeto, e definem o tamanho crítico [16]. Para que as reações em cadeia sejam controladas é necessário manter o equilíbrio da quantidade de nêutrons ("população neutrônica") no núcleo de modo elas não cresçam indefinidamente, propagando as reações em velocidades elevadas, e nem diminuam a ponto de extinguí-las. O equilíbrio é obtido com materiais absorvedores de nêutrons que, por meio de barras de controles são inseridas ou retiradas do núcleo, controlando assim, a população de nêutrons no reator. Os nêutrons desempenham papel importante na reação em cadeia, pois são eles que iniciam e mantém todo o processo. No entanto, nem todos causam fissão. Além da citada interação de absorção pelo combustível, que resulta em fissão, outras interações entre os nêutrons e a matéria, no interior do reator, são possíveis, destacando-se: A absorção por outros materiais, a absorção pelo combustível sem resultar em fissão e a fuga do núcleo. Essas formas de interação são funções tanto da energia do nêutrons incidente quanto dos núcleos atingidos podendo resultar, além da fissão, em espalhamentos, em emissão de radiação , na emissão de outros nêutrons ou na emissão de partículas
carregadas [17][18]. Essas formas de interação são caracterizadas pelas respectivas seções de choque. Os nêutrons que induzem a fissão com maior probabilidade são os nêutrons térmicos, os que possuem baixa energia cinética, em torno de 0,025 eV. No entanto, como eles nascem com uma energia média em torno de 2,0 MeV, nêutrons rápidos, devem primeiramente sofrer uma redução de energia, até os niveis de energia termica onde ocorrem a maioria das fissões. A este processo de redução de energia dá-se o nome de moderação, ocorrendo por meio de sucessivas colisões elásticas até que seja absorvido por um núcleo físsil. O meio material no qual a moderação ocorre chama-se moderador, e sua função, portanto, é transformar os nêutron rápidos em térmicos a fim de que possam induzir a fissão nuclear [19]. Outro importante componente dos reatores são os refletores, estruturas e materiais colocados em torno do núcleo dos reatores para refletirem de volta ao seu interior os nêutrons que fogem ou que escapam da sua fronteira. Desse modo, os nêutrons refletidos, que anteriormente estariam perdidos do sistema, podem contribuir novamente para a indução de novas fissões. O refletor permite que haja um aumento da quantidade de nêutrons disponíveis no sistema e é caracterizado por possuir elevada seção de choque de espalhamento e baixa seção de choque de absorção [20]. O uso dos refletores possibilita melhor aproveitamento dos nêutrons, economia do combustível e melhora da utilização da potência do reator. Além de refletir os nêutrons de volta ao núcleo, o refletor também modera os nêutrons rápidos fazendo com que exista uma corrente de nêutrons em direção ao núcleo do reator. Em decorrência disso, em projetos que sejam previstos a utilização de refletores, é possível reduzir a quantidade de combustível ou do percentual de enriquecimento. Nota-se também a ocorrência do fenômeno do achatamento do fluxo térmico, caracterizado pela diminuição do pico do fluxo no interior do núcleo e elevação do mesmo nas regiões mais afastadas, particularmente na interface entre núcleo e refletor [21] [22]. Este fenômeno é previsto analíticamente pela solução da equação da difusão pelo método de dois grupos [23] e mostrado qualitativamente na FIG. 3.1. Nela observa-se que o fluxo de nêutrons térmico aumenta consideravelmente na região de interface entre o reator e o refletor quando comparado com mesma situação com um reator nú (sem refletor).
FIGURA 3.1 – Perfil dos fluxos térmicos e rápidos na interface núcleo e refletor para um reator refletido.
Portanto, a introdução de um refletor de nêutrons constituido de água pesada em uma região delimitada de um reator, que originalmente não havia sido projetado para tê-lo, permite observar tais fenômenos. A água pesada é um material que tem sido utilizado nas atividades nucleares desde os primeiros dias do seu aparecimento. É formada pela combinação do oxigênio com o isótopo estável do hidrogênio de massa 2, o deutério (D), representada por D2O. A descoberta do deutério foi feita em 1932 por H. C. Urey, F. G. Brickwedde e G. M. Murphy, que verificaram que o hidrogênio tinha um isótopo de número de massa 2 presente em hidrogênio natural, observando resíduos de hidrogênio de uma coluna de destilação a baixas temperaturas. A concentração foi estimada numa razão de D/H em 1/4000 por medidas de intensidade das linhas de Balmer (Urey, 1932) e em 1/5000 por espectrometria de massas (Bleackney and Gould, 1933) [24]. A água pesada, devido a presença do deutério, além de possuir boa capacidade de moderar os nêutrons (diminuir a sua energia cinética por meio de colisões elásticas), possui também baixa probabilidade de absorvê-los [25].
As caracaterística da água pesada para utilização como moderador e refletor de nêutrons já eram conhecidas desde o ínicio do desenvolvimento da era nuclear. Seus principais usos são como refrigerante ou moderadores devido às propriedades apresentadas, quando interagindo com os nêutrons. Após a descoberta da fissão, e durante os primórdios do projeto para a construção do primeiro reator nuclear da história, a água pesada sempre esteve presente na lista de opções dos moderadores de nêutrons. No entanto, devido às dificuldades de processamento e produção em grande escala, necessáros à época, para os esforços que culminaram com a construção das primeiras armas atômicas, foi substituida pelo grafite [26]. A primeira industria para fabricação de água pesada foi a norueguesa Norsk Hydro. Posteriormente, e durante muito tempo, o Canadá desenvolveu e operou outras instalações. [27]. Os processos utilizados para a produção de água pesada são a destilação, eletrólise, trocas catalíticas hidrogênio/água e processo termoquímico Girdler-Sulfider [28]. Atualmente, de acordo com dados da AIEA, existem em operação 7 fábricas que produzem em torno de 694 toneladas por ano. Uma delas, localizada na Argentina, responde por aproximadamente 30% desse montante, as demais estão localizadas na Índia. Os custos de produção variam de 300 US$/Kg a 500 US$/Kg. [29][30]. As primeiras aplicações práticas em reatores nucleares iniciaram nos anos de 1940, com a construção do reator Chicago Pile 3 (CP-3), no Argonne Laboratory, sendo o primeiro reator a utilizar a água pesada como elemento moderador [31] [32] [33]. A partir da mesma época o Canadá destacou-se no estudo do emprego da água pesada em reatores nucleares e suas aplicações. Desenvolveu e construi nas décadas seguintes reatores de pequisa como o ZEEP (1945), o NRX (1947) e o NRU (1957) [37]. Além do Canadá outros países como França, Inglaterra e Noruega também construíram reatores de pesquisa, que empregravam água pesada como moderadores [38]. Esses reatores formaram a base para o desenvolvimento de reatores de potência como o NPD (1962), o Douglas Point (1968) e o Pickering (1971), e cuja tecnologia é empregada atualmente nos reatores CANDU, que são moderados e resfriados a água pesada [39].
De acordo com a proposta do trabalho foi introduzida no núcleo do reator IPEN/MB-01, na sua face oeste, uma caixa de alumínio, que serviu como refletor de nêutrons. Após sua instalação foram realizadas operações programadas com o reator e coletados dados e informações para posteriores análises e conclusões. Foi utilizada a infraestrutura física, de pessoal e de material disponível no reator IPEN/MB-01, e deste modo foi possível a execução dos experimentos de calibração de barras de controle, verificação da influência da variação da temperatura do moderador na resposta do reator e a irradiação de folhas e fios de ativação. Estes experimentos foram conduzidos sempre em duas etapas distintas: Uma série de operações com o refletor preenchido com água leve e outra série de operações com o refletor preenchido com água pesada. O reator IPEN/MB-01, semelhantemente a outros reatores nucleares, possui procedimentos específicos para seu funcionamento, que são executados e supervisionados por pessoal especializado. A preparação do reator e o modo de realização dos trabalhos são descritos no decorrer deste capítulo.
4.1. A água pesada e a caixa refletora A água pesada, disponível e utilizada nos experimentos, encontra-se armazenada em um tambor no Reator IPEN/MB-01 e é oriunda do CDTN tendo sido transportada para o IPEN em 09/12/2009. O tambor, cujo número de registro é 11138, possuia, naquela data, conforme informações do CDTN, um peso bruto de 266,3 Kg. As informações atinentes ao envio e transporte constam do Ofício número 057/SESUP do CDTN. Esta água pesada, por meio de amostra, foi analisada na Empresa Neuquina de Servicios de Ingenieria (ENSI), na Argentina, apresentando como resultado uma concentração molar de D2O de 99,49 ± 0,02%. O refletor possui o formato de uma caixa prismática e foi construído com chapas de alumínio. Um desenho da caixa utilizada como refletor é apresentado na FIG. 4.1. O detalhamento das dimensões do refletor é mostrado na FIG. 4.2. A espessura das
chapas é de 5 mm e o seu volume interno resultou aproximadamente 61,652 l. O refletor possui bujões que servem para suspiro, dreno e transferências de água.
FIGURA 4.1 – Vista em perspectiva da caixa refletora, refletor, que foi instalada no núcleo do reator.
FIGURA 4.2 – Três vistas da caixa refletora que foi instalada no núcleo do reator.
Para que o reator pudesse operar com o refletor cheio de água leve ou de água pesada foi necessário instalá-lo no interior do tanque moderador, na face oeste e adjacente ao núcleo. Este posicionamento pode ser visualizado de modo generalizado no desenho esquemático da FIG. 4.3 e detalhado na FIG. 4.10.
FIGURA 4.3 – Desenho esquemático mostrando um corte do tanque moderador onde se encontra o núcleo e o posicionamento da caixa refletora após sua instalação na face oeste.
A escolha do alumínio para a construção da caixa foi devido às sua baixas probabilidades de absorção e de espalhamento de nêutrons térmicos, representadas por suas seções de choque, cujos valores são respectivamente a = 0,235 b e s = 1,4 b. Isto significa que há uma probabilidade muito baixa de interações de nêutrons térmicos com os átomos da caixa, de modo que ela funciona como um reservatório transparente, delimitando o seu volume interno de água, tanto leve quanto pesada, nesta região do reator e minimizando as interferências no fluxo. O refletor vazio foi instalado no núcleo em posição predeterminada sendo fixado na própria estrutura do reator por meio de parafusos e calços.
Nas operações com água leve o refletor foi preenchido com a própria água leve do tanque moderador, durante o enchimento deste. Bastou para isso que fossem deixados abertos os bujões e suspiros existentes nas partes inferior e superior do refletor, como mostrado na FIG. 4.4.
FIGURA 4.4 – Procedimento para enchimento do refletor com água leve.
Nas operações com água pesada o refletor foi preenchido com água pesada transferida de um reservatório auxiliar, onde ela encontrava-se originalmente, distante do núcleo. Foram conectadas mangueiras e válvulas entre o refletor e este reservatório auxiliar, além de uma mangueira no supiro superior do refletor, para a saída do ar. A água foi bombeada para o interior do refletor introduzido ar comprimido no reservatório auxiliar, como mostrada na FIG. 4.5.
FIGURA 4.5 – Procedimento para enchimento do refletor com água pesada.
Esses procedimentos foram realizados meticulosamente evitando qualquer vazamento de água pesada para dentro do tanque moderador e esta solução foi adotada devido às dificuldades de manipulação de pesos na plataforma superior do reator e à exiguidade de espaço nesse local. Após o enchimento do refletor com água pesada o reator ficou em condições de ser utilizado nos experimentos. Nas operações sem refletor não houve modificação ou preparação especial no reator além dos procedimentos de rotina. Em todos os eventos onde houve necessidade de entrada de pessoal na sala do reator e no tanque moderador, como nas manipulações de detectores de fios e folhas irradiadas, fora da sala do reator, foram adotados os procedimentos de proteção pertinentes, acompanhados por um responsável do serviço de proteção radiológica. Nas operações, com refletor de água leve, com refletor de água pesada e sem refletor, os exeperimentos ocorreram como descritos nos itens 4.2, 4.3 e 4.4, a seguir.
4.2. Calibração de barras de controle
4.2.1. Descrição geral Este experimento foi realizado objetivando a obtenção de dados para a construção da curva de calibração de barras do reator IPEN/MB-01. Os procedimentos necessários à experiência são descritos a seguir. De modo geral, tanto para a condição do refletor cheio de água leve quanto para a condição do refletor cheio de água pesada, os procedimentos para a calibração de barras de controle é feito por meio da técnica de compensação, que consiste em inserir de modo controlado incrementos de reatividade de aproximadamente 100 pcm, do seguinte modo: Criticaliza-se o reator com a BC1 tão inserida quanto possível no núcleo do reator e a BC2 tão retirada quanto possível, como mostrado na FIG. 4.6.
FIGURA 4.6 – Diagrama esquemático mostrando o posicionamento inicial das barras de controle com a BC 1 totalmente inserida e a BC 2 totalmente retirada.
Em seguida, retira-se a BC1 até uma posição em que o núcleo atinja 100 pcm de reatividade, ficando supercrítico. E por fim, insere-se a BC2, provocando o retorno do núcleo à condição de criticalidade. Repetem-se esses passos até que a BC1 esteja retirada e a BC2 inserida no núcleo, tanto quanto possível, situação inversa da inicial. O deslocamento das BC é medido em porcentagem do comprimento ativo das varetas combustíveis sendo a origem na placa matriz com o sentido positivo do eixo z adotado conforme mostrou-se na FIG. 4.6. Assim, 0 % corresponde à extremidade inferior da BC, totalmente inserida, e 100 % à extremidade superior, totalmente retirada do núcleo. A posição das BC é mostrada num indicador digital no painel de controle e a medida de reatividade é obtida a partir de um reatímetro e o valor, em pcm, é mostrado numa interface gráfica de um programa computacional, que também permite gravar os dados de toda a operação a cada segundo. O arranjo do núcleo para as experiências foi o da configuração padrão das varetas combustíveis, 28 x 26, como mostrado na FIG. 4.7. Duas barras de controle controlam o reator. Elas estão localizadas diagonalmente opostas no núcleo. Os símbolos A e B da FIG. 4.7 referem-se à localização das duas barras de controle, enquanto o símbolo S refere-se às barras de segurança. As barras de segurança são sempre mantidas na posição totalmente retirada durante todo o conjunto de experimentos. Consequentemente, elas não interferem nas medições realizadas. Os símbolos A e B mostrados na FIG. 4.7 referem-se, respectivamente, às barras de controle BC1 e BC2. Nas configurações críticas a barra de controle BC1 foi mantida sempre na mesma posição específica e o controle fino da criticalidade foi obtido pelo sistema de controle automático da barra, posicionando continuamente a barra de controle BC2 em torno da verdadeira posição crítica. A posição da barra de controle BC2 é um dos parâmetros mais importantes para o conjunto de experiências. A posição crítica verdadeira da barra de controle raramente é alcançada.
FIGURA 4.7 – Diagrama esquemático do tanque moderador mostrando a distribuição dos detectores em torno do núcleo.
O sistema da barra de controle do reactor IPEN/MB-01 é composto de: 
Sistema de um controle automático de barra,
Sistema de acionamento da unidade,
Mecanismo de acionamento da barra de controle e
Módulo indicador de posição relativa da barra de controle.
O sistema automático de controle proporciona um controle fino nos níveis de potência e de criticalidade do reator, monitorando continuamente os sinais de um conjunto de detectores "out-of-core", que estão estrategicamente posicionados em torno do núcleo do reator. O sistema de controle automático executa ambas as tarefas por meio do ajuste continuo da posição da barra de controle. O mecanismo de acionamento da barra de controle (MAB) é composto por um motor de passo acoplado a uma redução mecânica, que permite uma indicação muito precisa da posição da barra de controle. O indicador de posição relativa da barra de controle é constituído por um sensor codificador incremental óptico, acoplado ao mecanismo de acionamento da barra de controle, e um módulo inteligente, o qual permite que a posição da barra de controle possa ser adquirida com precisão de quatro dígitos (em unidades de porcentagem de retirada). Este módulo é ligado a um microcomputador por meio de uma interface serial RS232. Considerando um determinado estado crítico, as posições relativas das barras de controle podem ser escritas em um arquivo de computador a uma taxa de aquisição a cada 60 ms (6 x 10 -2 segundos), tornando-se possível realizar análises estatísticas sobre essa variável. O sistema de controle das barras do reator IPEN/MB-01 pode ser considerado um sistema de alta resolução, e sua linearidade foi demonstrada rotineiramente desde que o reator foi ligado inicialmente. O zero relativo do sistema de controle (0% posição retirada) ocorre quando a parte inferior das varetas de absorção (excluindo os tampões de fundo) estão alinhadas com a parte inferior da região do combustível. Este nível de referência ou zero foi calibrada por um padrão mecânico que permite uma precisão de 0,1 mm. A posição mais externa da barra de controle (posição 100% retirada) está localizada a 54,6 cm da extremidade inferior do comprimento ativo do combustível. A FIG. 4.8 mostra esquematicamente onde a barra de controle está localizada em relação ao comprimento ativo da vareta combustível. Desta forma, a posição das barras de controle, durante a operação do reator, pode ser adquirida com um excelente nível de precisão.
FIGURA 4.8 – Diagrama esquemático da disposição das placas de sustentaçãodo núcleo e das varetas e as cotas das varetas combustíveis e de controle/segurança.
As experiências de calibração de barras foram executadas a uma potência de 1W a fim de se ter um detector com apropriada razão sinal-ruído. Esta potência foi monitorada por um canal experimental localizada no lado direito da FIG 4.7 (59,0 cm de distância do núcleo ativo). Para cada posição crítica da barra de controle mencionada neste experimento a posição da barra de controle BC2 foi gravada durante 1 min, perfazendo um total de 1000 posições. Com base nesses dados foi realizada a análise estatística sobre a posição da barra BC2. A FIG. 4.9 mostra a freqüência da posição da BC2 versus sua posição para um determinado estado crítico. Esta figura é semelhante a uma forma Gaussiana e mostra uma série de características interessantes. Na região do lado esquerdo da curva, onde < 0, o sistema do reator é subcrítico e, inversamente, na região à direita,
43 onde > 0, o sistema do reator é supercrítico. A verdadeira posição crítica, onde  = 0, ocorre no máximo desta curva. Esta análise foi realizada para cada configuração crítica relatada nesta avaliação e, na posição crítica, o máximo de cada curva respectiva foi considerado ser a verdadeira posição crítica da BC2.
FIGURA 4.9 – Frequência das posições do banco de controle BC2 versus a posição para um dado estado crítico.
As incertezas nas flutuações das posições do banco de controle, neste caso, tem sido iguais a um desvio padrão (1) da curva Gaussiana mostrada na FIG 4.9. Um valor típico da incerteza da indicação da posição relativa do controle é 0,013% de retirada, que representa 0,07 mm. A reatividade foi medida por um reatímetro (modelo da cinética inversa, que será detalhado na seção 4.2.2 a seguir) ou usando a curva de calibração da barra de controle. O reatímetro foi usado sempre que a reatividade era pequena (