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Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares

Ciência e Tecnologia a serviço da vida

Reator de Pesquisa IPEN-MB/01


Leslie Molnary, Ipen-Cnen/SP
Reator IPEN-MB/01 (Unidade Crítica)

1. Introdução


O IPEN/MB-01 é um reator nuclear genuinamente brasileiro, concebido por pesquisadores e Engenheiros do IPEN-CNEN/SP, financiado e construído pela Marinha do Brasil, atingiu sua primeira criticalidade às 15 horas e 35 minutos do dia 9 de Novembro de 1988, sendo oficialmente entregue para operação ao IPENCNEN/SP em 28 de Novembro deste mesmo ano.

O projeto do Reator IPEN/MB-01 foi iniciado em 1983 e suas obras foram concluídas em Julho de 1988. No mesmo mês iniciaram-se os testes dos seus vários sistemas. Cumpridas as exigências legais exigidas para o seu licenciamento, foi concedida em 19 de Outubro de 1988, pelas resoluções CNEN 23 e 25 a autorização para a sua operação inicial.

O Reator IPEN/MB-01 é uma instalação nuclear que permite a simulação de todas as características nucleares de um reator de grande porte em escala reduzida, sem que haja a necessidade de construir-se um complexo sistema de remoção de calor. Esse tipo de reator é conhecido mundialmente como reator de potência zero ou Unidade Crítica, sendo no nosso caso, projetado para operar a uma potência máxima de 100 watts. Esses reatores representam uma ferramenta básica, que permitem aos pesquisadores estudar não apenas por cálculos teóricos, mas também com medidas experimentais, o desempenho e as características do núcleo de um reator de potência ou de propulsão naval, antes da sua efetiva instalação, simulando as condições de projeto na própria instalação.

A filosofia que norteou o projeto do reator IPEN/MB-01, foi no sentido de se projetar e testar um núcleo típico para uso em propulsão naval, ou seja, que o controle de reatividade se desse a partir da inserção ou retirada de barras de controle, contrariando o modelo de muitas unidades críticas em que o controle se dá pelo nível d’água no tanque moderador. Esse controle de reatividade por barras de controle é típico de reatores navais, em que se necessitam de rápidas variações de potência , afim de se empreenderem manobras de fuga ou de perseguição.

2. Descrição do Reator

O primeiro núcleo do Reator IPEN/MB-01 possui a forma de paralelepípedo com dimensões ativas de 39x42x54,6 cm, sendo constituído de um arranjo de 28x26 varetas combustíveis e 48 tubos guias, destinados a inserção das varetas de controle/segurança, responsáveis pelo controle da reação em cadeia e desligamento do reator. Nesta configuração, dita retangular, temos um total de 680 varetas e um excesso de reatividade de aproximadamente 2415 pcm.

No entanto o núcleo do Reator Nuclear IPEN/MB-01 possibilita a montagem de diferentes arranjos críticos, ou seja configurações de núcleos, uma vez que foi projetado para que apresentasse a versatilidade e a flexibilidade necessárias para tais finalidades. Para tal, a placa matriz que sustenta o núcleo do reator possui 900 furos espaçados entre sí por 15 mm, em um arranjo de 30x30. Nesta placa matriz foram montados os arranjos críticos retangulares , quadrado e cilindrizado.

Leslie Molnary, Ipen-Cnen/SP
Núcleo do Reator de Pesquisas IPEN-MB/01

As varetas combustíveis do reator são constituídas de tubos de aço inox AISI-304, contendo em seu interior um total de 52 pastihas combustíveis de UO2 enriquecidas a 4,3 %. A altura ativa da coluna de pastilhas é de 54,6 cm, sendo que cada pastilha possui uma altura de 1,05 cm e diâmetro de 0,849 cm . As extremidades não ativas das varetas são preenchidas com pastilhas de Al2O3. Os 48 tubos guias para as varetas absorvedoras de nêutrons (Barras de controle e segurança) estão dispostos em 4 grupos, contendo cada um deles 12 varetas absorvedoras, sendo dois grupos de barras de segurança e 2 grupos de controle, dispostos cada um deles em um quadrante do núcleo do reator. Cada conjunto de 12 varetas absorvedoras são unidas através de um corpo central, denominado aranha, o qual é ligado a uma haste de acionamento, que por sua vez é conectada a mecanismos acionados por magnetos energizados.

Para efeito de possível modelagem em cálculos neutrônicos, apresentam-se as Tabelas. 1, 2, 3 e 4 dadas a seguir, em que são apresentadas detalhadamente as composições, bem como as geometrias das varetas combustíveis e de controle do Reator IPEN/MB-01.O diagrama esquemático da vareta combustível e de controle, podem ser vistos no esquema a seguir.

Arquivos do CEN, Ipen-Cnen/S
Diagrama esquemático das varetas combustíveis e de controle

A reatividade integral de cada barra de controle/segurança é suficiente para desligar o reator, ou seja é de aproximadamente 3200 pcm. As barras de segurança apresentam as mesmas características geométricas das barras de controle, diferenciando das mesmas pelo material absorvedor de nêutrons utilizado, no caso B4C e pelo fato de que durante a operação normal do reator, serem mantidas totalmente retiradas do núcleo ativo do mesmo, com o objetivo de desligá-lo com grande margem de segurança. As barras de controle, são as responsáveis, por manterem constantes a população de nêutrons , quando o mesmo atinge um certo nível fixo de potência.

Quando inseridas no núcleo, as barras de controle, mantém o nível de população neutrônica, através da absorção dos mesmos em seu material estrutural composto de uma liga de Ag-In-Cd, encapsulada num revestimento de aço inox austenítico.

Tabela 1
Dados Geométricos da Vareta de Controle do Reator IPEN/MB-01.

Material Absorvedor: Ag-In-Cd
Diâmetro do Absorvedor: 0,832 cm
Diâmetro Externo do Revestimento: 0,980 cm
Espessura do Revestimento: 0,060 cm
Diâmetro Externo do Tubo Guia: 1,200 cm
Espessura do Tubo Guia: 0,035 cm


Tabela 2
Dados geométricos da Vareta Combustível do Reator IPEN/MB-01.

Região Ativa
Combustível: UO2
Diâmetro da Pastilha: 0,849 cm
Diâmetro Externo do Revestimento: 0,980 cm
Espessura do Revestimento: 0,060 cm
Passo da Rede: 1,500 cm

Região de Alumina
Diâmetro da Pastilha: 0,949 cm
Diâmetro Externo do Revestimento: 0,980 cm
Espessura do Revestimento: 0,060 cm

Região do Tubo Espaçador
Diâmetro Interno: 0,730 cm
Diâmetro Externo: 0,849 cm


Tabela 3
Composição isotópica da Vareta Combustível.

Pastilha Concentração
Combustível (atomos/barn-cm)
235U 1,0034E-03
238U 2,17938E-02
16O 4,55138E-02

Revestimento, Concentração
Tubo Guia (atomos/barn-cm)
Fe 5,67582E-02
Ni 8,64435E-03
Cr 1,72649E-02
55Mn 1,59898E-03
Si 3,34513E-04

Pastilha Concentração
de Alumina (atomos/barn-cm)
Al 4,30049E-02
16O 6,45074E-02


Tabela 4
Composição isotópica da Vareta de Controle.

Absorvedor Concentração
(atomos/barn-cm)
107Ag 2,35462E-02
109Ag 2,18835E-02
113In 3,42506E-04
115In 7,6599E-03
Cd 2,72492E-03

Revestimento,Tubo guia, Concentração
e Tampão Inferior (atomos/barn-cm)
Fe 5,67582E-02
Ni 8,64435E-03
Cr 1,72649E-02
55Mn 1,59898E-03
Si 3,34513E-04

Todo o núcleo do reator, bem como os mecanismos de acionamento de barras, as guias para as aranhas e o amortecedor de queda de barras, é apoiado por uma estrutura suporte, fixada na parte superior por uma plataforma metálica, e na parte inferior mantida suspensa no interior do tanque moderador, o qual contém água tratada e desmineralizada, utilizada como elemento moderador da energia dos nêutrons.

Além das barras de controle e segurança, o sistema de controle de reatividade inclui um sistema de esvaziamento rápido do tanque moderador que provoca o desligamento do reator por perda do fluído moderador. No desligamento por barras, dito de primeiro nível, as 4 barras caem por gravidade no núcleo, a partir do sinal de corte de energia dos magnetos enquanto no desligamento de segundo nível, além de todas as 4 barras caírem , são abertas duas válvulas tipo borboletas de abertura rápida de 50,8 cm de diâmetro, situadas na parte inferior do tanque moderador, causando a retirada de toda água em aproximadamente 4 segundos.

A água como sabemos, é um elemento fundamental para a moderação da energia dos nêutrons rápidos de fissão, termalizando-os e com isso tornando a probabilidade de fissão dos núcleos de Urânio-235, muito maiores para os nêutrons de baixa energia, os chamados nêutrons térmicos. A água drenada caindo por gravidade é estocada no primeiro subsolo do reator, mais propriamente no Tanque de estocagem , onde ficará armazenada até ser novamente bombeada para o tanque moderador numa futura operação do reator, ou mesmo para tratamento da mesma, através de filtragem e controle de seu nível de condutividade em um vaso trocador de leito de resina mista ou mesmo para o controle de sua temperatura em trocadores de calor aquecedores ou resfriadores.

A instrumentação nuclear utilizada no controle e segurança do reator é constituída de 10 canais nucleares, divididos por função em 2 canais de partida (detetores BF3), 2 de potência (Câmaras de Ionização Compensadas-CIC), 2 canais lineares (Câmaras de Ionização Não Compensadas-CINC), 3 canais de segurança na faixa de potência (2 CINC e 1 detetor B-10) e 1 canal de segurança na faixa de partida (Detetor BF3). Estes canais nucleares estão situados ao redor do núcleo, dentro do tanque moderador em diversas cotas axiais, posicionados dentro de tubos de alumínio estanques á água.

A instrumentação nuclear é responsável pelo processamento dos sinais gerados nos detetores nucleares. Após o processamento, estes sinais são enviados para os indicadores de potência e de período na mesa de controle do reator e para os comparadores de sinais que fazem a logica de proteção do reator. Existem vários valores de limiar operacionais ("set points”) que constituem a rede de intertravamento dos canais nucleares. Assim, só para citar alguns exemplos, temos:

  • Contagem mínima de 2 cps nos canais de partida e seu respectivo canal de segurança, para habilitar a malha de partida;
  • Desligamento de sobrepotência (110 mwatts) de primeiro nível dos canais de partida;
  • Desligamento por sobrepotência (120 mwatts) de segundo dos canais de partida;
  • Desligamento por sobrepotência de primeiro nível (110 watts) para os canais de potência.
  • Desligamento por sobrepotência de segundo nível (120 watts) para os canais de potência.

Para se atingir a contagem mínima nos canais lineares e liberar a partida do reator é necessária a utilização de uma fonte de nêutrons de Am-Be de atividade de 1 Ci e intensidade de 2,5.106 nêutrons/s. Esta fonte fica armazenada no segundo subsolo do prédio do reator e durante a partida do mesmo é levada através de um pequeno carrinho preso a um cabo de aço a se posicionar na base inferior do tanque moderador, onde pode então sensibilizar os canais nucleares citados, evitando-se assim que a partida do reator se dê as cegas, ou seja numa faixa operacional em que os detetores dos canais de partida e de segurança não estejam aptos a monitorar a taxa de crescimento da população de nêutrons, quando do início de sua operação (partida do reator).

Outros intertravamentos se fazem presentes nos canais nucleares. Talvez o mais importante seja aquele referente ao período de crescimento da população neutrônica quando da supercriticalidade do reator, quando a população de nêutrons cresce exponencialmente. Assim, para períodos menores ou iguais a 17 segundos ocorrem o desligamento involuntário ("Scram”) de primeiro nível, com a correspondente queda das 4 barras . Para períodos menores ou iguais a 14 segundos ocorre o "Scram” de segundo nível, ou seja a abertura das válvulas para escoamento da água do tanque moderador.

Existem vários outros intertravamentos que impedem que o reator seja ligado numa condição insegura (Intertravamentos de Segurança), a até intertravamentos que provocam o desligamento do reator (Operacionais). Podemos citar vários que vão desde a abertura da porta de acesso da Célula Crítica (Saguão onde está o núcleo do reator), até condições inadequadas da água moderadora, que vai desde a baixa temperatura da mesma (menor de 17 graus) até um nível inadequado de condutividade.

Todos os sistemas citados (núcleo, tanque moderador, detetores dos canais nucleares, controle das barras, etc) estão situados dentro de um prédio estanque, mantido à pressão negativa, situada na faixa de –50 a –200 Pa (caso haja uma perda de estanqueidade o ar de fora é que entra), denominado de célula crítica, construído com paredes de concreto, com funções de confinamento e blindagem. Um dos intertravamentos de segurança é impedir a partida do reator caso a pressão negativa no interior da célula crítica não atinja a valores operacionais pré-estabelecidos em projeto, ou mesmo provocar o seu desligamento automático,caso a pressão negativa diminua em sua magnitude.

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