Йодная яма

Йодная яма , также называемая йодной дырой или ксеноновой ямой , является временным отключением ядерного реактора из-за накопления короткоживущих ядерных ядов в ^{активной} зоне реактора . Основным ответственным изотопом является ^135Xe , в основном образующийся при естественном распаде 135I . 135I является слабым поглотителем нейтронов , в то время как 135Xe ^{является самым} сильным известным поглотителем нейтронов. Когда ^135Xe накапливается в топливных стержнях реактора, он значительно снижает их реактивность , поглощая значительное количество нейтронов, которые обеспечивают ядерную реакцию.

Наличие ^135I и ^135Xe в реакторе является одной из основных причин колебаний его мощности в ответ на изменение положения регулирующих стержней .

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

Одним из распространенных продуктов деления является ^135Te , который претерпевает бета-распад с периодом полураспада 19 секунд до 135I ^. Сам ^{135I является слабым поглотителем нейтронов. Он накапливается в реакторе со скоростью} , пропорциональной скорости деления, которая пропорциональна тепловой мощности реактора. ^135I претерпевает бета-распад с периодом полураспада 6,57 часа до ^135Xe . Выход ^135Xe при делении урана составляет 6,3%; около 95% ^135Xe образуется в результате распада ^135I .

¹³⁵ Xe является самым мощным известным поглотителем нейтронов , с поперечным сечением для тепловых нейтронов 2,6×10 ⁶  барн , ^[1] поэтому он действует как « яд », который может замедлить или остановить цепную реакцию после определенного периода эксплуатации. Это было обнаружено в самых первых ядерных реакторах, построенных в рамках Манхэттенского проекта для производства плутония . В результате проектировщики предусмотрели в конструкции повышение реактивности реактора (число нейтронов на деление, которые идут на деление других атомов ядерного топлива ). ^{[2] Отравление реактора 135} Xe сыграло важную роль в Чернобыльской катастрофе . ^[3]

При захвате нейтронов 135Xe ^{преобразуется} («сгорает») в ^136Xe , который фактически ^[a] стабилен и не поглощает нейтроны в значительной степени.

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 периода полураспада ¹³⁵ I эта скорость зависит от средней мощности за последние несколько часов.

В результате реактор, работающий на постоянной мощности, имеет фиксированную равновесную концентрацию стационарного состояния, но при снижении мощности реактора концентрация ^135Xe может увеличиться достаточно, чтобы эффективно остановить реактор. Без достаточного количества нейтронов, чтобы компенсировать их поглощение ^135Xe , или чтобы сжечь накопленный ксенон, реактор должен оставаться в состоянии остановки в течение 1–2 дней, пока не распадется достаточное количество ^135Xe .

¹³⁵ Xe бета-распады с периодом полураспада 9,2 часа до ¹³⁵ Cs ; отравленное ядро ​​спонтанно восстановится после нескольких периодов полураспада. Примерно через 3 дня после отключения ядро ​​можно считать свободным от ¹³⁵ Xe, без внесения ошибок в расчеты реактивности. ^[4]

Невозможность перезапуска реактора в таком состоянии называется ксеноновым пуском или падением в йодную яму ; продолжительность этой ситуации известна как ксеноновое мертвое время , отключение яда или глубина йодной ямы . Из-за риска таких ситуаций в ранней советской ядерной промышленности многие операции по обслуживанию выполнялись на работающих реакторах, поскольку простой более часа приводил к накоплению ксенона, что могло бы надолго вывести реактор из строя, снизить производство ²³⁹ Pu , необходимого для ядерного оружия, и привести к расследованиям и наказанию операторов реактора. ^[5]

Взаимозависимость накопления ¹³⁵ Xe и нейтронного потока может привести к периодическим колебаниям мощности. В больших реакторах, с небольшой связью нейтронного потока между их областями, неоднородности потока могут привести к образованию ксеноновых колебаний , периодических локальных изменений мощности реактора, движущихся через активную зону с периодом около 15 часов. Локальное изменение нейтронного потока вызывает повышенное выгорание ¹³⁵ Xe и производство ¹³⁵ I, истощение ¹³⁵ Xe увеличивает реактивность в области активной зоны. Локальная плотность мощности может измениться в три раза или более, в то время как средняя мощность реактора остается более или менее неизменной. Сильный отрицательный температурный коэффициент реактивности вызывает затухание этих колебаний и является желаемой конструктивной особенностью реактора. ^[4]

Реактивность реактора после остановки сначала уменьшается, затем снова увеличивается, принимая форму ямы; отсюда и название «йодная яма». Степень отравления, глубина ямы и соответствующая продолжительность простоя зависят от потока нейтронов до остановки. Поведение йодной ямы не наблюдается в реакторах с плотностью потока нейтронов ниже 5×10 ¹⁶ нейтронов м−2 с−1 , поскольку 135 Xe в первую очередь удаляется распадом, а не захватом нейтронов. Поскольку резерв реактивности активной зоны обычно ограничен 10% от Dk/k, тепловые энергетические реакторы, как правило, используют поток нейтронов не более 5×10 13 нейтронов м ⁻² с ⁻ 1 , ^чтобы избежать ^{проблем} с ^{повторным} запуском ^после остановки. ^[4]

Изменение концентрации ^135Xe в активной зоне реактора после его остановки определяется краткосрочной историей мощности реактора (которая определяет начальные концентрации ^135I и ^135Xe ), а затем разницей в периодах полураспада изотопов, определяющих скорости его образования и удаления; если активность 135I ^выше активности ^135Xe , концентрация ^135Xe будет расти, и наоборот.

При работе реактора на заданном уровне мощности в течение 40–50 часов устанавливается вековое равновесие , при котором скорость образования йода-135, его распада до ксенона-135, а также его сгорания до ксенона-136 и распада до цезия-135 обеспечивает поддержание постоянного количества ксенона-135 в реакторе на заданном уровне мощности.

Равновесная концентрация ¹³⁵ I пропорциональна потоку нейтронов φ. Однако равновесная концентрация ^{135 Xe очень мало зависит от потока нейтронов при φ > 10 17} нейтронов м ⁻² с ⁻¹ .

Увеличение мощности реактора и увеличение потока нейтронов приводит к росту производства ¹³⁵ I и потребления ¹³⁵ Xe. Сначала концентрация ксенона уменьшается, затем медленно увеличивается до нового равновесного уровня, поскольку теперь избыток ¹³⁵ I распадается. При типичном увеличении мощности от 50 до 100% концентрация ¹³⁵ Xe падает примерно на 3 часа. ^[6]

Уменьшение мощности реактора снижает производство нового ¹³⁵ I, но также снижает скорость сжигания ¹³⁵ Xe. Некоторое время ¹³⁵ Xe накапливается, что регулируется количеством доступного ¹³⁵ I, затем его концентрация снова уменьшается до равновесия для данного уровня мощности реактора. Пиковая концентрация ¹³⁵ Xe достигается примерно через 11,1 часа после снижения мощности, а равновесие достигается примерно через 50 часов. Полное отключение реактора является крайним случаем снижения мощности. ^[7]

Если имеется достаточный уровень полномочий по управлению реактивностью , реактор можно перезапустить, но необходимо тщательно контролировать переходный процесс выгорания ксенона . По мере извлечения стержней управления и достижения критичности поток нейтронов увеличивается на много порядков, и ^135Xe начинает поглощать нейтроны и трансмутироваться в ^136Xe . Реактор сжигает ядерный яд. По мере того, как это происходит, реактивность увеличивается, и стержни управления должны быть постепенно вставлены обратно, иначе мощность реактора увеличится. Постоянная времени для этого переходного процесса выгорания зависит от конструкции реактора, истории уровня мощности реактора за последние несколько дней (следовательно, присутствующих концентраций ^135Xe и ^135I ) и новой настройки мощности. Для типичного перехода с 50% мощности на 100% концентрация ^135Xe падает примерно на 3 часа. ^[6]

Первый раз отравление ядерного реактора ^135Xe произошло 28 сентября 1944 года в реакторе Pile 100-B на площадке в Хэнфорде. Реактор B был реактором для производства плутония, построенным компанией DuPont в рамках Манхэттенского проекта. Реактор был запущен 27 сентября 1944 года, но вскоре после этого мощность неожиданно упала, что привело к полной остановке вечером 28 сентября. На следующее утро реакция возобновилась сама собой. Физики Джон Арчибальд Уилер , работавший в то время в DuPont, и Энрико Ферми смогли определить, что падение потока нейтронов и последующее отключение были вызваны накоплением ^135Xe в топливе реактора. Реактор был построен с запасными топливными каналами, которые затем использовались для увеличения нормальных рабочих уровней реактора, тем самым увеличивая скорость выгорания накапливающегося ^135Xe . ^[8]

Реакторы с большими физическими размерами, например, типа РБМК , могут создавать значительные неоднородности концентрации ксенона в активной зоне. Управление такими неоднородно отравленными активными зонами, особенно на низкой мощности, является сложной проблемой. Чернобыльская катастрофа произошла после восстановления реактора 4 из состояния неравномерного отравления. Мощность реактора была значительно снижена в ходе подготовки к испытанию, за которым последовало плановое отключение. Непосредственно перед испытанием мощность резко упала отчасти из-за накопления ¹³⁵ Xe в результате низкой скорости выгорания на низкой мощности. Операторы извлекли большую часть регулирующих стержней в попытке восстановить мощность. Без ведома операторов эти и другие действия привели реактор в состояние, в котором он подвергался воздействию обратной связи нейтронной мощности и производства пара. Затем неисправная система отключения вызвала скачок мощности, который привел к взрыву и разрушению реактора 4.

Эффект йодной ямы должен быть принят во внимание при проектировании реактора. Высокие значения плотности мощности , приводящие к высоким скоростям производства продуктов деления и, следовательно, к более высоким концентрациям йода, требуют большего количества и обогащения ядерного топлива, используемого для компенсации. Без этого резерва реактивности остановка реактора исключала бы его повторный запуск на несколько десятков часов, пока ¹³⁵ I/ ¹³⁵ Xe не распадется в достаточной степени, особенно незадолго до замены отработанного топлива (с высоким выгоранием и накопленными ядерными ядами ) на свежее.

Реакторы на жидком топливе не могут создавать 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. ^[b]

• CR Nave. "Отравление ксеноном". HyperPhysics . Университет штата Джорджия . Получено 12.03.2013 .
• Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. — М.: Атомиздат, 1960.
• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.