Università degli Studi Guglielmo Marconi

Insegnamento
Ingegneria del nocciolo
Docente
Prof. Bianchini Alfredo Giancarlo
Settore Scientifico Disciplinare
ING-IND/18
CFU
12
Descrizione dell'insegnamento

Il corso fornisce agli studenti le conoscenze fisiche di base necessarie per una corretta interpretazione dei risultati del calcolo neutronico in rapporto ad analisi di progetto o a studi sul comportamento dei reattori. La prima parte del corso riguarda l´interazione neutrone materia poi si passa allo studio dei processi di rallentamento e diffusione, viene quindi presentata la cinetica del reattore (flusso neutronico dipendente dal tempo), una breve descrizione degli effetti di controreazione e infine degli accenni sul calcolo perturbativo. Nelle esercitazioni sono presentati una serie di esercizi svolti, che facilitano la comprensione della materia. Una raccolta delle principali relazioni riportate nel testo e una bibliografia ragionata completano il materiale a disposizione degli studenti.

Obiettivi formativi (espressi come risultati di apprendimento attesi)

Al termine di questo corso, lo studente sarà in grado di:

  • conoscere le nozioni di base di fisica per capire i meccanismi fondamentali del funzionamento di un reattore nucleare;
  • analizzare l’interazione neutrone-materia;
  • comprendere i processi di rallentamento e diffusione dei neutroni.
Prerequisiti

Non sono richiesti requisiti specifici.

Contenuti dell'insegnamento

Fisica del Nucleo
Richiami di Fisica Nucleare e appunti di Matematica. Introduzione. Lunghezza d’onda delle particelle. Il nucleo atomico e la sua costituzione. Energia di legame. Stati eccitati nel nucleo. La radioattività. Il decadimento di stati eccitati. Reazioni Nucleari. Richiami di matematica.

Interazioni Neutroni Materia-Sezioni d’urto
Sezioni d’urto e Interazioni con la Materia. Introduzione. Sezioni d’urto. Sezioni d’urto di scattering elastico. Sezione d’urto totale. Scattering Elastico. Scattering a basse energie da molecole. Distribuzione dello scattering angolare elastico. Sezione d’Urto di Trasporto. Distribuzione energetica dei neutroni scatterati in modo inelastico. Cattura radiativa Reazioni con particelle cariche. Effetto Doppler.

La fissione del Nucleo Atomico
Sezioni d’urto di nuclidi fissili. I Prodotti di Fissione. Decadimento dei Prodotti di Fissione. Neutroni Pronti. Neutroni Ritardati. Rilascio di energia dalla fissione. Potenza del reattore, Consumo e Burnup del Combustibile. Fattore di moltiplicazione. Tipi di reattori nucleari.

La diffusione dei neutroni (I Parte)
Introduzione. Tassi di Interazioni e Flusso Neutronico. Densità di Corrente Neutronica. L’equazione di continuità. La legge di Fick. Validità della legge di Fick. Equazione della diffusione. Condizioni al contorno sulle superfici.

La diffusione dei neutroni (II Parte)
Condizioni al contorno tra due mezzi (interfaccia). Soluzioni dell’Equazione della Diffusione allo Stato Stazionario. Sorgente piana infinita in un mezzo omogeneo infinito. Sorgente puntiforme in un mezzo infinito. Sistemi con una superficie libera. Problema a molte regioni. Sorgenti Distribuite in un Mezzo Infinito. Sorgenti Distribuite in un Mezzo Finito. La lunghezza di diffusione.

Il trasporto dei neutroni
Approssimazione Pn. Approssimazione Multigruppo. Librerie Multigruppo. La libreria variabile. Libreria ABBN.

Rallentamento dei Neutroni senza Assorbimenti
Urto tra particelle classiche. Distribuzione di probabilità dello scattering. Il decremento logaritmico medio. Letargia. Densità di collisione e rallentamento. Rallentamento nell’idrogeno. Rallentamento in mezzi con A > 1. L’equazione dell’età di Fermi. Rallentamento dovuto a scattering inelastico.

Il Rallentamento dei Neutroni con Assorbimenti e Fissioni
Introduzione. L’Idrogeno e un Assorbitore a Massa Infinita. Rallentamento con Moderatore di Massa > 1. Probabilità di fuga da risonanze separate. Fissioni Veloci. Moderazione Dipendente dallo Spazio, con Assorbimenti.

Neutroni a Bassa Energia
Spettro dei Neutroni. Termici Assenza di Sorgenti e di Assorbimenti - Spettro Maxwelliano. Raffreddamento da Diffusione. Flusso termico. Tasso di Interazioni per Neutroni Termici. Assorbimenti 1/v. Assorbimenti non 1/v. Potenza del Reattore. h Medio in un Flusso Termico. Diffusione di Neutroni Termici. Tempo di Termalizzazione. Rallentamento e diffusione. Esperimenti a neutroni pulsati.

Il Reattore Termico Senza Riflettore
Il concetto di Criticità. Il Reattore Termico a una Regione. Criticità per un Reattore a Forma di Parallelepipedo. L’equazione di Criticità. Caso particolare: Reattori di Grandi Dimensioni. Applicazioni dell’Equazione di Criticità. Calcolo della Composizione Critica, date le Dimensioni. Determinare la Grandezza Critica, data la Composizione. Forme Ottimali di Reattore. Reattori Quasi Omogenei.

Il Reattore con Riflettore
Neutroni a un Gruppo Energetico. Metodo a due gruppi energetici. Prospettive. Calcoli a due gruppi per reattori non omogenei. Calcoli multigruppo.

Cinetica del Reattore
Reattore Infinito con soli Neutroni Pronti. Tempo di Generazione Medio con Neutroni Ritardati. Equazione della Reattività in un Reattore Infinito. Comportamento del flusso. Variazione a gradino della reattività. Il reattore a slab senza riflettore. Altri Tipi di Reattori. Il Periodo Stabile. Salto della Reattività Pronta. La Condizione di Pronto Criticità. Piccole reattività. Reattività Grandi, Negative.

Variazioni della Reattività
Coefficienti di temperatura. Coefficienti di Temperatura in un Reattore Termico senza Riflettore. Coefficiente di Temperatura di hT. Coefficiente di Temperatura di f. Coefficiente di Temperatura di e. Coefficiente di Temperatura di p. Conclusioni sui Coefficienti di Temperatura. Avvelenamento da Prodotti di Fissione. Xeno 135. Lo Xeno dopo lo spegnimento e tempo morto del reattore. Oscillazioni dello Xe135. Burnup e Conversione.

Teoria delle Perturbazioni
Reattività e Perturbazioni. Richiami di Matematica. Teoria delle Perturbazioni a un Gruppo. Teoria delle Perturbazioni a due Gruppi. Calcolo del Flusso Aggiunto. Significato Fisico del Flusso Aggiunto.

Reattori Sottocritici
Richiami generali. I Reattori Sottocritici. Fattore di Moltiplicazione sottocritico. Raggiungimento della criticità usando la curva 1/M. Ulteriori definizioni di sottocriticità.

Ciclo del Combustibile
Introduzione. Uranio e Torio: Riserve e Prospettive. Arricchimento isotopico (cenni). La Diffusione Gassosa. Fabbricazione del Combustibile. Irraggiamento del Combustibile nel Reattore Nucleare.

Attività didattiche
Didattica Erogativa
L'insegnamento prevede, per ciascun CFU, 5 ore di Didattica Erogativa, costituite da 2,5 videolezioni (tenendo conto delle necessità di riascolto da parte dello studente). Ciascuna videolezione esplicita i propri obiettivi e argomenti, ed è corredata da materiale testuale in pdf.

Didattica Interattiva
L'insegnamento segue quanto previsto dalle Linee Guida di Ateneo sulla Didattica Interattiva e l'interazione didattica, e propone, per ciascun CFU, 1 ora di Didattica Interattiva dedicata alle seguenti attività: lettura area FAQ, partecipazione ad e-tivity strutturata costituita da attività finalizzate alla restituzione di un feedback formativo e interazioni sincrone dedicate a tale restituzione.
Criteri di valutazione
Tutte le prove di verifica e autoverifica intermedie previste dai Corsi ed erogate in modalità distance learning sono da considerarsi altamente consigliate e utili ai fini della preparazione e dello studio individuali. Le prove di verifica e autoverifica intermedie non sono obbligatorie ai fini del sostenimento della prova d´esame, la quale deve essere svolta in presenza dello studente davanti ad apposita Commissione ai sensi dell´art. 11 c.7 lett.e) del DM 270/2004.
Modalità della prova finale

L’esame si svolge in forma scritta e/o orale.

La prova scritta consiste in 10 domande di carattere teorico: definizioni di grandezze importanti, fornire una valida spiegazione su fenomeni specifici, risoluzione di problemi di fisica del reattore.

La prova orale consiste in domande atte ad accertare la conoscenza del candidato dei vari argomenti del corso. Come per la prova scritta, le domande possono essere di vario tipo.

La prova ha una durata massima di 120 minuti.

Libri di testo

Oltre alle lezioni realizzate dal Docente ed ai materiali didattici pubblicati in piattaforma, è obbligatorio lo studio del seguente testo:

  • John R. Lamarsh, Introduction to Nuclear Reactor Theory. Addison-Wesley Pubblishing Company, INC 1966, Reading, Massachusettes, USA.
Ricevimento studenti

Previo appuntamento (g.bianchini@unimarconi.it).