ReactorPhysics

IPH – 305: IntroductionIPH – 305: Introduction

Ajay Y. DeoDepartment of Physics

Room No. 305, Ph.: 5566

Objective:

To provide comprehensive knowledge on nuclear reactor physics and its technological aspects.

IITR, IPH-305

Nuclear Physics – 6

Interaction of Radiation with Matter – 6

Nuclear Reactors & Nuclear Power – 10

Neutron Diffusion and Moderation – 6

 Nuclear Reactor Theory – 6 

 Time dependent reactor – 6 

 Radiation shielding – 2 

Books:1. John R. Lamarsh, Anthony J. Baratta, Introduction To Nuclear Engineering2. K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics3. G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement 4. Irving Kaplan, Nuclear Physics

SyllabusSyllabus

IITR, IPH-305

Syllabus..Syllabus..

IITR, IPH-305

● Some important nuclear physic concepts● How radiation interacts with the matter● Basics of fission process & nuclear reactors● Types of nuclear reactors● Some detailed theories of nuclear reactors

What will you learn?What will you learn?

IITR, IPH-305

IPH­305

IITR, IPH-305

Class Work Sessional MarksClass Work Sessional Marks

LectureLectureAttendanceAttendance

            Quiz       Quiz       MarksMarks

    MTE MTE     PerformancePerformance

IITR, IPH-305

Earlier GradesEarlier Grades

IITR, IPH-305

Important!75% attendance is compulsory.

Keep your cell phones OFFOFF.

Nobody will be allowed to enter the class after 8:05 AM

Questions/difficulties can also be discussed during office hours. 

Email: [email protected]

Please read the text books regularly, Lamarsh & Baratta

IITR, IPH-305

IITR, IPH-305

❋ 1895: Roentgen discovers X rays

❋ 1896: Becquerel discovers radioactivity

❋ 1897: J. J. Thompson's discovery of electron 

❋ 1898: The Curies identify 2 radioactive nuclei  

❋ 1899: Rutherford distinguishes alpha­ & beta­ radiation

❋ 1905: Einstein published the famous equation, E = mcE = mc22

❋ 1911: Discovery of atomic nucleus by Rutherford

❋ 1932: English physicist and Nobel laureate James Chadwick discovers neutrondiscovers neutron

❋ 1933: Leó Szilárd realizes the concept of the nuclear chain reaction

❋ 1938: December ­ German Chemists, Otto Hahn and Fritz Strassman detect                  barium after bombarding uranium with neutrons. This is correctly interpreted                  by Lise Meitner and her nephew Otto Robert Frisch as nuclear fissionnuclear fission

❋ 1939: January ­ Otto Robert Frisch experimentally confirms Otto Hahn and Fritz Strassman's discovery of nuclear fission. The mass of some of the atoms converts into energy, thus proving Einstein’s original theory.

Chronology (Science) Chronology (Science) 

IITR, IPH-305

❋ 1939: Szilard, Wigner and Teller convince EinsteinEinstein to sign a letter warning Rooseveltletter warning Roosevelt of possibility of nuclear weapon 

❋ 1939­1945: Manhattan Project ­ The U.S. Army’s top­secret atomic energy program, employs scientists in Los Alamos, New Mexico, under the direction of physicist J. Robert Oppenheimer, to develop the first transportable atomic bomb. Other Manhattan Project teams at Hanford, Washington, and Oak Ridge, Tennessee, produce the plutonium and uranium­235 necessary for nuclear fission.

❋ 1942: Enrico Fermi and his colleagues at the University of Chicago achieve the first controlled, self­sustaining nuclear chain reaction in which neutrons released during the splitting of the atom continue splitting atoms and releasing more neutrons.

❋ July 1945: The world's first nuclear weapon test, the Trinity shot, is successful 

❋ August 6 & 9, 1945: Atomic Bombs Little Boy & Fat Man dropped on Hiroshima & Nagasaki. Up to 2, 40, 000 people died.

❋ August 15, 1945: Japan surrenders unconditionally, ending WWII

Chronology (Science)..Chronology (Science)..

IITR, IPH-305

❋ 1951: EBR­1 reactor was the first to generate electricity in Arco, Idaho ❋ 1953: First of a series of Boiling Reactor Experiment reactors❋ 1953: “Atoms for Peace” speech by Eisenhower,launches Civilian program❋ 1954: USS Nautilus launches first nuclear­powered submarine❋ 1954: Obninsk reactor in Soviet Union becomes first commercial power plant❋ 1955: BORAX­III provide an entire town with electricity❋ 1957: International Atomic Energy Agency formed with 18 members. Today it has 164 

members.❋ 1957: The first U.S. large­scale nuclear power plant begins operation in Shippingport, PA❋ 1962: First advanced gas­cooled reactor❋ 1974: French Prime Minister Messmer launches nuclear power program in response to oil 

crisis. In 2004, 75% of France's electricity is Nuclear. Compare it to India's 3.7% !❋ 1986: EBR­II demonstrates advanced, sodium cooled reactors can passively shutdown 

without backup systems❋ 1994: Megaton to Megawatt program started in the USA. 20,000 nuclear weapons turned 

into electricity. By 2000, 10% of US electricity comes from dismantled Russian warheads.❋ 2013:  Climate guru James Hansen published paper claiming that nuclear power has saved 

1.8 million lives by offsetting air­pollution related deaths. 

Chronology (Technology)Chronology (Technology)

IITR, IPH-305

✺ Apr. 26, 1986 Chernobyl, Ukrain 56 direct; 4,000 to 9,85,000 cancer 7✺ Mar. 11, 2011 Fukushima, Japan 2+ 7✺ Sept. 29, 1957 Mayak, Kyshtym, Russia NO DATA 6✺ Oct. 10, 1957  Sellafield, Cumberland, UK 0 5✺ Mar. 28, 1979  Three Mile Island, PA, USA 0 5✺ Jan. 3, 1961  Idaho Falls, Idaho, USA 3 4✺ Jan. 5, 1976 Jaslovské Bohunice, Czechoslovakia 2 4✺ Sept. 30, 1999 Tokaimura, Japan 2 4✺ Dec. 7, 1975  Greifswald, East Germany 0 3✺ Jul. 25, 2006  Forsmark, Sweden 0 2✺ Aug. 9, 2004  Fukui Prefecture, Japan 4 1

The International Nuclear and Radiological Event Scale (INES) was introduced in 1990 by International Atomic Energy Agency (IAEA) in orderto enable prompt communication of safety-significant information in case of nuclear accidents.

AccidentsAccidents No. of deaths due to road No. of deaths due to road accidents in 2013 in Indiaaccidents in 2013 in India:     1,37,5721,37,572

IITR, IPH-305

✺ APSARA: India's & Asia's first reactor. Indigenous design and construction. Reached criticality on August 4, 1956.

✺ CIRUS: CCanadian­anadian­IIndian ndian RReactor, eactor, UU..SS.. and power plant were built with assistance from Canada. It achieved criticality in 1960.

✺ Currently 21 reactors at 7 Nuclear Power Plants are in operation

✺ 18 May, 1974: India's first nuclear bomb explosion at army base, Pokhran Test Range  India's first nuclear bomb explosion at army base, Pokhran Test Range 

(PTR), in Rajasthan. Code Name(PTR), in Rajasthan. Code Name: “Smiling BuddhaSmiling Buddha””  (why..?)(why..?)✺ 11 May, 1998:11 May, 1998: Second Nuclear Test, Pokhran­II, “Operation Shakti”. Operation Shakti”. It It consisted 

of five detonations, of which the first was a fusion bomb and the remaining four were fission bombs.

Indian scenario  Indian scenario  

IITR, IPH-305