Йодная яма

Йодная яма , также называемая йодной дырой или ксеноновой ямой , представляет собой место временного вывода из строя ядерного реактора из-за накопления короткоживущих ядерных ядов в активной зоне реактора . Основной ответственный изотоп ¹³⁵ Xe , в основном образующийся в результате распада естественного ¹³⁵ Я. ​ ¹³⁵ I — слабый поглотитель нейтронов , а ¹³⁵ Xe — самый сильный из известных поглотителей нейтронов. Когда ¹³⁵ Хе накапливается в твэлах реактора и значительно снижает их реактивность , поглощая значительное количество нейтронов, обеспечивающих ядерную реакцию.

Наличие ¹³⁵ я и ¹³⁵ Хе в реакторе является одной из основных причин колебаний его мощности в ответ на изменение положения стержней СУЗ .

Накопление короткоживущих продуктов деления, действующих как ядерные яды, называется реакторным отравлением или отравлением ксеноном . Накопление стабильных или долгоживущих нейтронных ядов называется шлакованием реактора .

Распад и выгорание продуктов деления

Одним из распространенных продуктов деления является ¹³⁵ Te , который подвергается бета-распаду с периодом полураспада 19 секунд до ¹³⁵ Я. ​ ¹³⁵ Я сам по себе слабый поглотитель нейтронов. Он накапливается в реакторе со скоростью, пропорциональной скорости деления, которая пропорциональна тепловой мощности реактора. ¹³⁵ I подвергается бета-распаду с периодом полураспада 6,57 часа до ¹³⁵ Машина . Доходность ¹³⁵ Хе при делении урана составляет 6,3%; около 95% ¹³⁵ Xe возникает в результате распада ¹³⁵ Я.

¹³⁵ Xe — самый мощный из известных поглотителей нейтронов с сечением 2,6 тепловых нейтронов ×10. ⁶  сараи , поэтому он действует как « яд », который может замедлить или остановить цепную реакцию после определенного периода эксплуатации. Это было обнаружено в первых ядерных реакторах, построенных в рамках Манхэттенского проекта для производства плутония . реактора В результате конструкторы предусмотрели в проекте увеличение реактивности (количества нейтронов при делении, которые идут на деление других атомов ядерного топлива ). ¹³⁵ Отравление реактора Хе сыграло главную роль в Чернобыльской катастрофе .

Путем захвата нейтронов ¹³⁵ Xe преобразуется («сгорает») в ¹³⁶ Xe , что эффективно стабилен и незначительно поглощает нейтроны.

Скорость горения пропорциональна потоку нейтронов , который пропорционален мощности реактора; реактор, работающий на удвоенной мощности, будет иметь удвоенную скорость горения ксенона. Скорость производства также пропорциональна мощности реактора, но из-за времени полураспада ¹³⁵ У меня эта скорость зависит от средней мощности за последние несколько часов.

В результате реактор, работающий на постоянной мощности, имеет фиксированную установившуюся равновесную концентрацию, но при снижении мощности реактора ¹³⁵ Концентрация Xe может увеличиться достаточно, чтобы эффективно остановить реактор. Без достаточного количества нейтронов, чтобы компенсировать их поглощение ¹³⁵ Xe, а также для сжигания накопившегося ксенона, реактор необходимо держать в остановленном состоянии в течение 1–2 дней, пока не будет получено достаточное количество ксенона. ¹³⁵ Хе распадается.

¹³⁵ Бета-распад Xe с периодом полураспада 9,2 часа до ¹³⁵ Сс ; отравленное ядро ​​самопроизвольно восстанавливается после нескольких периодов полураспада. Примерно через 3 дня остановки можно считать, что активная зона свободна от ¹³⁵ Xe, без внесения ошибок в расчеты реактивности.

Невозможность повторного запуска реактора в таком состоянии называется запрещенным ксеноновым запуском или попаданием в йодную яму ; Продолжительность этой ситуации известна как мертвое время ксенона , отключение яда или глубина йодной ямы . Из-за риска возникновения таких ситуаций в ранней советской атомной отрасли многие операции по техническому обслуживанию выполнялись на работающих реакторах, поскольку простои продолжительностью более часа приводили к накоплению ксенона, что могло привести к отключению реактора на значительное время, снижению производства ²³⁹ Pu , необходимый для ядерного оружия, и приведет к расследованиям и наказанию операторов реактора.

Ксенон-135 колебания

Взаимозависимость ¹³⁵ Накопление Xe и поток нейтронов могут привести к периодическим колебаниям мощности. В крупных реакторах, с небольшой связью нейтронного потока между их областями, неоднородности потока могут привести к образованию ксеноновых колебаний — периодических локальных изменений мощности реактора, проходящих через активную зону с периодом около 15 часов. Локальное изменение нейтронного потока приводит к увеличению выгорания ¹³⁵ Xe и производство ¹³⁵ Я, истощение ¹³⁵ Xe увеличивает реакционную способность в основной области. Локальная плотность мощности может измениться в три и более раз, а средняя мощность реактора останется более или менее неизменной. Сильный отрицательный температурный коэффициент реактивности вызывает затухание этих колебаний и является желательной особенностью конструкции реактора.

Поведение йодной ямы

Развитие (1) концентрации ¹³⁵ Хе и (2) реактора реактивность после остановки реактора. (До остановки поток нейтронов составлял φ = 10 ¹⁸ нейтронов/м ² с .)

Реактивность реактора после остановки сначала снижается, затем снова возрастает, приобретая форму ямы; это дало «йодной яме» свое название. Степень отравления, а также глубина ямы и соответствующая продолжительность отключения зависят от потока нейтронов перед остановкой. Поведение йодной ямы не наблюдается в реакторах с плотностью потока нейтронов ниже 5×10. ¹⁶ нейтроны м ⁻² с ⁻¹ , как ¹³⁵ Xe в основном удаляется путем распада, а не захвата нейтронов. Поскольку запас реактивности активной зоны обычно ограничен 10% от Dk/k, теплоэнергетические реакторы обычно используют поток нейтронов не более примерно 5×10. ¹³ нейтроны м ⁻² с ⁻¹ чтобы избежать проблем с перезапуском после выключения.

Концентрация меняется ¹³⁵ Хе в активной зоне реактора после его остановки определяется кратковременной энергетической историей реактора (определяющей начальные концентрации ¹³⁵ я и ¹³⁵ Xe), а затем разницей в периоде полураспада изотопов, определяющей скорость его образования и удаления; если деятельность ¹³⁵ I выше активности ¹³⁵ Хе, концентрация ¹³⁵ Ксе поднимется, и наоборот.

При работе реактора на заданном уровне мощности вековое равновесие устанавливается в течение 40–50 часов, когда скорость образования йода-135, его распада до ксенона-135, горения до ксенона-136 и распада до цезия-135 составляют поддержание количества ксенона-135 в реакторе постоянным на заданном уровне мощности.

Равновесная концентрация ¹³⁵ I пропорционален потоку нейтронов φ. Равновесная концентрация ¹³⁵ Однако Xe очень мало зависит от потока нейтронов при φ > 10. ¹⁷ нейтроны м ⁻² с ⁻¹ .

Увеличение мощности реактора и увеличение нейтронного потока вызывают рост производства ¹³⁵ Я и потребление ¹³⁵ Ксе. Сначала концентрация ксенона снижается, затем медленно вновь возрастает до нового равновесного уровня, так как теперь уже превышение ¹³⁵ Я разлагаюсь. Во время типичного увеличения мощности от 50 до 100% ¹³⁵ Концентрация Xe падает примерно за 3 часа.

Снижение мощности реактора снижает производство новых ¹³⁵ I, но также снижает скорость горения ¹³⁵ Ксе. Некоторое время ¹³⁵ Xe накапливается в зависимости от количества доступных ¹³⁵ I, то его концентрация снова снижается до равновесной для данного уровня мощности реактора. Пиковая концентрация ¹³⁵ Хе возникает примерно через 11,1 часа после снижения мощности, а равновесие достигается примерно через 50 часов. Полная остановка реактора является крайним случаем падения мощности.

Меры предосторожности при проектировании

Если реактивности имеются достаточные полномочия по контролю , реактор можно выгорания ксенона переходный процесс перезапустить, но необходимо тщательно контролировать . По мере управляющих стержней извлечения критичности и достижения поток нейтронов возрастает на много порядков и ¹³⁵ Xe начинает поглощать нейтроны и превращаться в ¹³⁶ Ксе. Реактор сжигает ядерный яд. При этом реактивность возрастает, и стержни управления необходимо постепенно вводить обратно, иначе мощность реактора увеличится. Постоянная времени этого переходного процесса выгорания зависит от конструкции реактора, истории уровня мощности реактора за последние несколько дней (следовательно, ¹³⁵ Ксе и ¹³⁵ У меня концентрации присутствуют) и новая настройка мощности. Для типичного повышения мощности с 50% до 100% мощности: ¹³⁵ Концентрация Xe падает примерно за 3 часа.

Первый раз ¹³⁵ Отравление Xe ядерного реактора произошло 28 сентября 1944 года в свалке 100-B на Хэнфордской площадке. Реактор B — реактор для производства плутония, построенный компанией DuPont в рамках Манхэттенского проекта. Реактор был запущен 27 сентября 1944 года, но вскоре после этого неожиданно упала мощность, что привело к полной остановке вечером 28 сентября. На следующее утро реакция возобновилась сама собой. Физики Джон Арчибальд Уиллер , работавший в то время в компании DuPont, и Энрико Ферми смогли определить, что падение нейтронного потока и последующее отключение были вызваны накоплением ¹³⁵ Xe в реакторном топливе. Реактор был построен с запасными топливными каналами, которые затем использовались для повышения нормальных режимов работы реактора, тем самым увеличивая скорость выгорания накапливающегося топлива. ¹³⁵ Машина.

Реакторы больших физических размеров, например типа РБМК , могут иметь значительные неравномерности концентрации ксенона в активной зоне. Управление такими неоднородно отравленными активными зонами, особенно на малой мощности, представляет собой сложную задачу. Чернобыльская катастрофа произошла после вывода четвертого реактора из неравномерно отравленного состояния. Мощность реактора была значительно снижена при подготовке к испытанию, за которым должна была последовать плановая остановка. Непосредственно перед испытанием мощность резко упала частично из-за накопления ¹³⁵ Хе из-за низкой скорости выгорания при малой мощности. Операторы убрали большую часть стержней управления, пытаясь восстановить подачу электроэнергии. Без ведома операторов эти и другие действия привели реактор в состояние, в котором он подвергся воздействию контура обратной связи по нейтронной энергии и производству пара. Неисправная система остановки вызвала скачок напряжения, который привел к взрыву и разрушению реактора №4.

Эффект йодной ямы необходимо учитывать при проектировании реакторов. Высокие значения удельной мощности , приводящие к высоким темпам производства продуктов деления и, следовательно, к более высоким концентрациям йода, требуют большего количества и обогащения ядерного топлива, используемого для компенсации. Без этого запаса реактивности остановка реактора не позволила бы его перезапустить в течение нескольких десятков часов, пока ¹³⁵ Я/ ¹³⁵ Хе достаточно распадается, особенно незадолго до замены отработавшего топлива (с высоким выгоранием и накопленными ядерными поглотителями ) на свежее.

В реакторах с жидкостным топливом не может возникнуть неоднородность ксенона, поскольку топливо свободно смешивается. Кроме того, эксперимент с реактором на расплавленной соли продемонстрировал, что распыление жидкого топлива в виде капель через газовое пространство во время рециркуляции может позволить ксенону и криптону покинуть топливные соли.

Ссылки

• ЧР Неф. «Отравление ксеноном» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии . Проверено 12 марта 2013 г.
• Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. — М.: Атомиздат, 1960.
• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.