	FIZICA REACTOARELOR NUCLEARE
	CUPRINS: Cuvant inainte (Marius PECULEA, Serban VALECA, Traicu RODIN) Prefata (Ionut Purica) Autorii lucrarii si activitatea din domeniul nuclear Partea I. NEUTRONII IN NUCLEE. DATE NUCLEARE DE BAZA PENTRU REACTOARELE NUCLEARE Capitolul 1. Proprietatile nucleonilor 1.1.Masa de repaus 1.2.Viata medie 1.3.Sarcina electrica 1.4.Spinul sau momentul propriu de rotatie 1.5.Spinul izotopic sau izospinul 1.6.Stranietatea 1.7.Comportarea cuantica a particulelor fundamentale 1.8.Comportarea relativista a particulelor fundamentale Capitolul 2. Proprietatile nucleelor 2.1. Formarea nucleelor si definirea energiei de legatura 2.2. Determinarea experimentala a energiei de legatura 2.3. Abundenta relativa a nuclizilor. Reguli privind stabilirea nuclizilor 2.4. Calculul semiempiric al energiei de legatura (B/A) 2.5. Stabilirea nucleelor Capitolul 3. Reactii nucleare. Date experimentale 3.1. Proprietatile reactiilor nucleare 3.2. Tipuri de reactii nucleare 3.3. Caracterizarea reactiilor nucleare prin sectiunea efectiva 3.4. Variatia sectiunii efective cu viteza relativa 3.5. Sectiunea efectiva medie Capitolul 4. Reactii nucleare. Descrierea teoretica 4.1. Sectiuni efective in formalismul mecanicii cuantice 4.2. Descrierea reactiilor nucleare cu matricea S 4.3. Descrierea reactiilor nucleare R 4.4. Modele nucleare Capitolul 5. Reactia de fisiune. Fisiunea in lant 5.1. Mecanismul fisiunii si conditiile de producere; sectiuni efective 5.2. Fragmente de fisiune 5.3. Neutronii de fisiune 5.4. Cinetica procesului de fisiune si balanta energetica 5.5. Modele nucleare pentru procesul de fisiune 5.6. Fisiunea in lant; cei patru multiplicatori Capitolul 6. Descrierea gazului de neutroni intr-un reactor si a interactiei lui cu nucleele 6.1. Densitatea de nuclee si neutroni in spatiul fazelor 6.2. Descrierea interactiei dintre neutroni si nuclee, in reactor 6.3. Viteza totala de reactie 6.4. Sectiuni efective caracteristice diferitelor reactii in reactorul nuclear 6.5. Sectiuni efective medii intr-o distributie Maxwell a neutronilor 6.6. Atenuarea unui fascicul de neutroni intr-un mediu semiinfinit; parcursul mediu 6.7. Seturi corelate de date nucleare pentru calculul reactoarelor nucleare Partea a II-a. GAZUL DE NEUTRONI IN REGIM STATIONAR Capitolul 7. Statistica reactoarelor nucleare in aproximarea difuziei monoenergetice 7.1. Ecuatia reactoarelor nucleare 7.2. Aproximarea difuziei monoenergetice 7.3. Difuzia neutronilor in medii nemultiplicative. Parcurs de difuzie 7.4. Difuzia neutronilor in medii multiplicative; conditia de criticitate 7.5. Reactorul cu reflector in aproximarea difuziei monoenergetice 7.6. Imbunatatirea aproximarii difuziei monoenergetice prin considerarea sursei de prima ciocnire Capitolul 8. Statica reactoarelor omogene in aproximarea varsta-difuzie 8.1. Teoria incetinirii neutronilor 8.2. Pierderea de energie in modelul bilelor de biliard, cu nuclee stationare (incetinire) 8.3. Letargia 8.4. Sursa de neutroni termici si densitatea de incetinire in aproximarea incetinirii continue 8.5. Teoria varstei Fermi 8.6. Reactorul nereflactat, in teoria varsta - difuzie 8.7. Spectrul energetic al fluxului de neutroni in reactoare termice 8.8. Conventia Westcott pentru calculul sectiunilor efective in spectrul reactoarelor termice 8.9. Teoria bigrupala Capitolul 9. Statica reactoarelor heterogene 9.1. Reactoare heterogene. Metode de calcul 9.2. Analiza celor patru multiplicatori cu metoda Wigner-Seitz 9.3. Metoda Feinberg-Galanin pentru calculul reactoarelor heterogene 9.4. Metode avansate de calcul al factorului f (SPECTROX si THERMOS) Capitolul 10. Teoria transportului neutronilor termici 10.1. Ecuatia Boltzman 10.2. Nucleul de imprastiere in aproximarea gazului perfect clasic 10.3. Nucleul de imprastiere in aproximarea mecanicii cuantice 10.4. Efectul proprietatilor moderatorului asupra imprastierii neutronilor termici 10.5. Termalizarea neutronilor in mediu infinit Partea a III-a. DINAMICA REACTOARELOR NUCLEARE Capitolul 11. Procese nestationare in reactoare nucleare 11.1. Efectele proceselor nestationare 11.2. Ecuatia cinetica a reactorului 11.3. Efectele de temperatura 11.4. Reactoarele nucleare ca sisteme nelineare. Stabilitatea prin metoda Liapounov 11.5. Otravirea reactorului cu produse de fisiune 11.6. Determinarea variatiilor de reactivitate prin metoda perturbatiei 11.7. Dinamica arderii combustibilului nuclear Capitolul 12. Reglajul reactorului nuclear cu bare de control. Efectul barelor de control 12.1. Bara de control centrala 12.2. Echivalarea barelor reale cu o bara cilindrica 12.3. Bara de control excentrica Partea a IV-a. EVALUAREA CARACTERISTICILOR PRINCIPALE DE PROIECTARE A UNUI REACTOR NUCLEAR Capitolul 13. Criterii de calcul economice, neutronice si termice 13.1. Elementele principale ale unui CNE si reducerea calcului reactoarelor la calculul unei celule 13.2. Parametri de calcul, relatii fizice si conditii tehnice 13.3. Dimensionarea celulei echivalente (calculul la rece) 13.4. Calculul termic preliminar al reactorului pentru evaluarea efectelor de temperatura 13.5. Factorii de neuniformitate Capitolul 14. Metode de calcul al reactoarelor nucleare 14.1. Teoria difuziei monoenergetice 14.2. Teoria incetinirii neutronilor si aproximarile ei 14.3. Metoda armonicelor sferice, aproximarea Pn 14.4. Metoda Sn (CARLSON) 14.5. Metode cu mai multe grupe de energii 14.6. Ecuatia multigrupala in aproximarea PN 14.7. Metoda difuziei multigrup, multiregim 14.8. Sisteme modulare de calcul al reactoarelor nucleare BIBLIOGRAFIE ANEXE Anexa 1. Constante fizice si unitati de masura Anexa 2. Proprietatile nucleare ale moderatorilor Anexa 3. Factorul g pentru absorbanti care nu respecta regula “1/v” Anexa 4. Proprietatile unor elemente si molecule Anexa 5. Constantele multigrupale cu noua grupe de energie pentru calculul reactoarelor rapide Anexa 6. Proprietati termice ale H2O si D2O Anexa 7. Efectul Doppler Anexa 8. Metoda coardelor pentru calculul probabilitatii de soc Pn Anexa 9. Simularea traiectoriei neutronilor cu metoda Monte-Carlo
	PREZENTARE: CUVANT INAINTE Cartea de fata m-a impresionat ca fiind o opera stiintifica inceputa de tatal, care i-a pus baza, si continuata de fiul, care i-a dat actualitatea, respectand euforismul lui Ovidiu Naso ca „sfarsitul incununeaza opera”. Suntem intr-o perioada in care noile tehnologii de reactoare nucleare se dezvolta intens si sunt gata sa penetreze in sistemele energetice din diverse tari. Reactoarele de generatia a IV-a, la scara mare, precum si reactoarele mici modulare, la scara medie-mica, au asociata o puternica activitate de cercetare. Aceasta are ca rezultat cresterea eficientei ciclului de conversie a energiei, concomitent cu cresterea securitatii in functionare cu efectele asociate de reducere de emisii de gaze cu efect de sera. Din punct de vedere socio-economic noile tehnologii dezvoltate creeaza locuri de munca, energia produsa este la un pret abordabil pentru consumatori, iar durata de viata este prelungita ceea ce permite structuri de finantare mai favorabile. Au trecut 60 de ani de la punerea in functiune a primului reactor nuclear de cercetare din Romania si avem azi un ciclu complet de combustibil nuclear, de la minereu de uraniu, combustibil nuclear si fabricatie de apa grea, centrala nucleara si depozitare de combustibil uzat. Volumul de fata, a carui publicare marcheaza nu numai o experienta continua in reactoare nucleare, a stat si el la baza formarii generatiilor de azi de specialisti in domeniul nuclear dar va fi si o sursa de cunoastere catre viitor pentru noile generatii de „nuclearisti” din Romania. Cred ca lucrarea vine sa sustina cercetarea prezenta de la noi furnizand elementele de baza pentru desfasurarea cu succes a acesteia. Cred si sper in continuarea constructiei de unitati nucleare care, la randul lor, vor necesita un personal bine pregatit, care sa inteleaga in profunzime functionarea reacoarelor nucleare pentru care cursul prezent va contribui substantial la atingerea nivelului de cunoastere cerut. Ori de cate ori materialele continute in lucrare vor sta la baza explicarii unui proces in functionarea reactorului nuclear, sau la gasirea unei solutii pentru operarea cu eficienta mai mare a sistemului, autorii vor trai sentimentul multumirii unui lucru bine facut. Iata motivul pentru care recomand ca acest curs sa fie citit pentru inteles si cunoastere. Acad. Marius PECULEA La 60 de ani de la inceputul domeniului nuclear in Romania este nevoie sa privim spre viitor. Si de aceea, aceasta lucrare, care a stat la baza formarii specialistilor de azi in reactoare nucleare consider ca vine la momentul oportun pentru cei care vor deveni expertii de maine in domeniul nuclear sustinand introducerea noilor tehnologii de reactoare nucleare cu neutroni rapizi racite cu Plumb, in curs de cercetare la noi, precum si altele ce vor aparea in curand. Prof. univ. dr. Serban VALECA Ministru al Cercetarii Toate generatiile de ingineri si fizicieni din domeniul nuclear au invatat fizica reactoarelor nucleare pe baza acestui curs, iar programul nuclear romanesc, care nu s-a oprit niciodata, se bazeaza pe un personal competent care a reusit functionarea centralei nucleare fara incidente avand o rezilienta semnificativa si un factor de incarcare printre cele mai mari din lume. Publicarea acestei lucrari acum contribuie la asigurarea cunostintelor de baza necesare viitorului domeniului nuclear la noi la cel mai inalt standard. Ing.Traicu RODIN Presedinte CNCAN
	PREFATA: AUTORII LUCRARII SI ACTIVITATILE DIN DOMENIUL NUCLEAR IN ROMANIA La jumatatea anilor ’50 Romania si Uniunea Sovietica (de atunci) au convenit constructia langa Bucuresti (la Magurele) a unui reactor nuclear de cercetare tip VVR-2000 kW. Era primul reactor de cercetare nucleara pe care URSS il aproba, in afara granitelor sale de stat, pentru o tara din blocul est European. Ulterior acelasi tip de reactor a fost construit si in alte tari est europene. Pentru pregatirea specialistilor care sa urmareasca punerea in functiune si sa poata exploata reactorul s-a facut, la Moscova, un stadiu de pregatire cu specialisti din diversele tari in care se preconiza constructia reactorului de cercetare. Din Romania a fost trimis Ionel Purica. Trebuie mentionat ca alegerea nu s-a facut la intamplare ci din nucleul de ingineri si fizicieni care incepea sa se formeze sub conducerea academicianului Horia Hulubei - unul din marii nostrii oameni de stiinta si initiatorul domeniului nuclear din Romania. Astfel, in anul 1957 Romania avea un reactor nuclear in functiune operat de specialisti romani. Cercetarea nucleara din tara noastra a inceput sa se manifeste cu lucrari importante publicate nu numai in revistele stiintifice din tara ci in cele din SUA si URSS. Dupa participarea la prima conferinta asupra utilizarii pasnice a energiei nucleare (Geneva 1959) specialistii nostrii spuneau ca la prezentarea unor dispozitive de cercetare pe teme similare, facute de Rusi si de Americani, s-a constatat ca pana si suruburile erau in aceeasi pozitie la dispozitivele rusesti ca la cele americane. In 1960 s-a pus problema constructiei de centrale nucleare in Romania. Trebuie spus ca URSS pusese in functiune o centrala nucleara la Obninsk in 1955, iar SUA una la Shippingport in 1957, ambele avand reactoare cu apa sub presiune provenite din sistemele de propulsie pentru submarinele nucleare si folosind Uraniu imbogatit. In acelasi timp, in Franta si in Anglia se dezvoltau centrale nucleare in sistem Magnox folosind Uraniu natural. Ca alternativa Canada incepuse sa dezvolte sistemul CANDU care folosea apa grea ca moderator si Uraniu natural. Pana in 1962 specialistii nostrii au analizat diversele optiuni in contextul in care existau in tara rezerve substantiale de minereu de Uraniu, iar Romania avea nevoie sa nu depinda de combustibil cu Uraniu imbogatit pe care atunci nu putea sa-l ia decat din URSS. Nu trebuie uitat ca in 1957, armata rosie s-a retras din Romania, lucru care nu se mai intamplase decat cu Austria si care nu s-a mai intamplat cu alte tari din Estul Europei decat dupa dizolvarea URSS in 1991. Astfel, in 1963 s-a deplasat in Marea Britanie o delegatie romana pentru a lua contact cu tehnologia nucleara Britanica si a analiza posibilitatea de a construi centrale Magnox la noi. Scurtand o poveste mai lunga, concluzia a fost ca centralele englezesti si franceze de acest tip nu sunt dimesionate numai pentru eficienta energetica ci mai mult pentru producerea de Plutoniu pe care ambele tari il doreau pentru aplicatii militare. Intre timp, Franta a trecut la centrale cu apa sub presiune, iar Anglia la centrale Magnox avansate. In 1964-65 solutia ramasa in conditiile date era Canada. Atunci, insa, a avut loc schimbarea conducerii in Romania dupa moartea lui Gheorghe Gheorghiu Dej. Una dintre problemele discutate in primele sedinte ale conducerii de atunci a fost continuarea programului de implementare de centrale nucleare sau oprirea acestuia. A fost un moment de mare tensiune, dar decizia finala a fost pozitiva. Ca urmare, in 1967 Ionel Purica a fost trimis in Canada pentru un prim contact cu industria nucleara din aceasta tara. Deplasarea a avut rezultate pozitive stabilindu-se contacte stabile, atat cu industria cat si cu guvernul canadian. Ramanea o problema importanta de rezolvat: acceptarea de catre SUA a transferarii de tehnologie nucleara occidentala unei tari din Pactul de la Varsovia. Initierea unui raspuns pozitiv la aceasta problema a fost scopul delegatiei din 1968 in SUA formata din Horia Hulubei, Ionel Purica si Marius Patrascu. Scopul oficial al deplasarii era participarea la conferinta Societatii Nucleare Americane (ANS) care avea loc la New York in Hotelul Waldorf Astoria. Ca anecdota, Waldorf Astoria era, ca si azi, unul dintre cele mai scumpe hoteluri, iar banii delegatiei romane au ajuns pentru cazare doar cu reducerile acordate participantilor la conferinta ANS. A doua zi delegatia franceza era mirata ca nu i-a vazut seara la restaurant pe romani. Cand ai nostrii le-au spus ca au mancat in camera, francezii au ramas uimiti de banii pe care ii au romanii daca isi permit sa comande masa in camera. Nimeni nu si-a imaginat ca in camera se mancau conserve aduse, de acasa, in valiza. Lucrarile prezentate la conferinta au avut un nivel profesional ridicat starnind interesul comunitatii stiintifice prezente. Dupa conferinta au avut loc intalniri cu conducerea lui US Atomic Enegy Commission - entitatea care controla in acel moment dezvoltarea domeniului nuclear din SUA - precum si o vizita la Oack Ridge National Laboratory (ORNL). Presedintele US AEC era Glenn T. Seaborg, premiu Nobel pentru descoperirea Plutoniului. Seaborg era o personalitate cu multa influenta nu numai in stiinta, dar si in administratia americana, iar parerile sale erau ascultate de Congresul SUA. La intalnirea cu aceasta personalitate, Romania trimisese tot ce avea mai bun in domeniul nuclear; fiecare dintre cei trei membrii ai delegatiei noastre avea o faima stiintifica bine stabilita la nivel international. Probabil ca succesul discutiilor initiale au condus la vizitarea ORNL (ai nostrii erau prima delegatie dintr-o tara comunista care ajungea intr-un laborator nuclear major din SUA). De altfel, buletinul ORNL din 26.Noiembrie.1968 contine pe langa fotografia delegatiei si un articol despre dezvoltarea sectorului energetic din Romania inclusiv perspectivele de constructie de centrale nucleare. Astfel, in 1970 Congresul SUA a aprobat transferul de tehnologie CANDU catre Romania. In 1971 terbuiau sa inceapa sa se construiasca doua unitati de cate 300 MW. Acestea erau dezvoltate si pe baza unitatilor intrate deja in functiune de putin timp in India si Pakistan. Dar natura a intervenit cu inundatii extinse care au dus la amanarea programului nuclear pentru 1973. Intre timp s-au intamplat doua evenimente in domeniul nuclear in lume: (i) India a detonat, in 1973, prima sa bomba nucleara construita pe baza plutoniului produs din centralele CANDU pe care le avea in functiune; si (ii) administratia Carter in SUA a initiat tratatul de neproliferare a armelor nucleare. Romania a trebuit sa astepte pana in 1977 pentru a relua discutiile de data aceasta pentru patru unitati CANDU de 600 MW. Primele betoane la Cernavoda s-au pus in 1979. Nu vom vorbi mai mult aici despre constructia centralei pentru ca ea este parte a unui program nuclear complet pe care tara noastra l-a dezvoltat si implementat in mod coerent. In toata perioada pe care am descris-o, Romania a figurat in listele internationale de unitati nucleare si cu o unitate VVER 440 MW (tehnologie sovietica) care era in permanenta constructie pe Olt. La Intreprinderea Nucleara Olt (INOlt) nu existau decat director, contabil sef si secretara, in asteptarea completarii proiectului initial cu anvelopa, lucru care nu s-a intamplat niciodata cu nici una dintre centrelalele VVER 440 construite in tarile din jurul nostru (numai Finlanda a pus anvelope Westinghouse peste unitati VVER sovietice la Loviisa). Mai mult, in industria romana s-au constituit grupuri de specialisti care au inceput inca de la sfarsitul anilor ’60 sa pregateasca tehnologiile necesare constructiei de echipamente nucleare. Intre timp cercetarea nucleara continua la reactorul de la Magurele, condusa de Ionel Purica, in domenii care variau de la seminte protejate prin iradiere, la comportarea componentelor electronice in regim de radiatii, la conversie directa de energie nucleara in energie electrica si, culminand cu constructia unui reactor nuclear functional, complet romanesc (‘la Baraca’) ce a fost inscris in evidentele Agentiei Internationale de Energie Atomica de la Viena. Tot la mijlocul anilor ’60 (in 1966) a inceput, in facultatea de Energetica din Institutul Politehnic Bucuresti (azi Universitatea Politehnica Bucuresti) pregatirea de ingineri in domeniul centrelelor nucleare electrice. Ionel Purica era titularul cursului de teoria reactoarelor nucleare. Generatiile de studenti deveniti ingineri care au construit si care opereaza la CNE Cernavoda isi aduc mereu aminte de Profesorul Purica prin premiul „Ionel Purica” pe care Asociatia Romana de Energie Nucleara il acorda personalitatii anului din domeniul nuclear romanesc. Prof. univ.dr.ing.dr.ec Ionut PURICA este in prezent expert in Academia Romana, Institutul de Prognoza Economica, si Director Executiv al Centrului de Consultanta Energetica si Ambientala, precum si Profesor la Universitatea Hyperion. Prof. Ionut Purica a fost consilier al Ministrului Mediului si al Ministrului Economiei si expert asociat al Comisiei Parlamentare pentru Industrie si Servicii, precum si Presedinte al Agentiei Nucleare si pentru Deseuri Radioactive (secretar de Stat). A participat in eleborarea strategiei de integrare a Romaniei in UE, a strategiei de incalzire centrala a Romaniei si a strategiei de dezvoltare durabila pentru Guvernul Romaniei. Dr. Ionut Purica a efectuat analize de risc si structurarea de tranzactii pentru USEA, JBIC, MARSH, ITOCHU, MVV etc. A participat si la elaborarea strategiei de schimbari climatice a Romaniei (2014-2015) ca Senior Climate Change Specialist in Banca Mondiala. Inainte de aceasta a lucrat ca Project Officer pentru energie si infrastructura in Banca Mondiala in Romania si Balcani (ex. Evaluarea sistemului energetic in Kosovo in 1999) fiind pregatit in structurare de proiecte, ‘value at risk’, achizitii, pentru a completa experienta sa in energetica castigata ca director de proiecte internationale in RENEL si ca sef al grupului de ingineria calitatii al IMGB si AECL pentru fabricarea componentelor reactorilor nucleari CANDU. A lucrat, de asemenea, ca cercetator international la ENEA Roma si ca cercetator asociat la ICTP Trieste in domeniul modelelor neliniare de decizie. Dr. Purica a scris carti (e.g. la Imperial College Press si la Elsevier) si lucrari in domeniul energiei si proceselor neliniare publicand articole in jurnale internationale (cotate ISI) si participand in grupul de autori al mai multor rapoarte ale WEC despre energie si schimbari climatice, energetica nucleara si scenarii energetice 2050 si 2060, economia gazelor neconventionale in Romania. Pe langa doctoratul in inginerie are un al doilea in economie si preda cursuri de analiza de risc si management de proiecte in programe de master. Este membru corespondent al Academiei Oamenilor de Stiinta din Romania (AOSR) si membru in Advisory Group for Energy al Comisiei Europene.
	CUVINTE CHEIE:

FIZICA REACTOARELOR NUCLEARE