Ксенон-135 - Xenon-135

Ксенон-135 (¹³⁵Xe) является неустойчивым изотоп из ксенон с период полураспада около 9,2 часа. ¹³⁵Xe - это продукт деления из уран и это самый мощный из известных нейтрон -поглощающий ядерный яд (2 миллиона сараи;^[1] до 3 миллионов сараи^[2] в условиях реактора^[3]), что существенно влияет на ядерного реактора операция. Максимальный выход ксенона-135 от деления составляет 6,3%, хотя большая часть этого продукта получается при делении. теллур-135 и йод-135.

¹³⁵Влияние Xe на перезапуск реактора

В типичном ядерном реакторе, работающем на уран-235, Наличие ¹³⁵Xe как продукт деления создает проблемы для разработчиков и операторов из-за его большого размера. нейтронное сечение для впитывания. Поскольку поглощение нейтронов может пагубно повлиять на способность ядерного реактора увеличивать мощность, реакторы спроектированы так, чтобы уменьшить этот эффект; Операторы обучены правильно предвидеть эти переходные процессы и реагировать на них.

В периоды стабильной работы при постоянной нейтронный поток уровень, ¹³⁵Концентрация Xe увеличивается до равновесие значение для этой мощности реактора примерно через 40-50 часов. Когда мощность реактора увеличивается, ¹³⁵Концентрация Xe первоначально снижается, поскольку выгорание увеличивается на новом более высоком уровне мощности. Потому что 95% ¹³⁵Производство Xe происходит от распада йод-135 с периодом полураспада 6,57 часов, производство ¹³⁵Xe остается постоянным; на данный момент ¹³⁵Концентрация Xe достигает минимума. Затем концентрация увеличивается до нового равновесного уровня (точнее, уровня устойчивого состояния) для нового уровня мощности примерно за 40-50 часов. В течение первых 4-6 часов после изменения мощности величина и скорость изменения концентрации зависят от начального уровня мощности и от величины изменения уровня мощности; то ¹³⁵Изменение концентрации Xe больше при большем изменении уровня мощности. При уменьшении мощности реактора процесс обратный.^[4]

Йод-135 представляет собой продукт деления урана с выходом около 6% (считая также йод-135, образовавшийся почти сразу при распаде теллура-135, образующегося при делении).^[5] Эта ¹³⁵Я распадается с периодом полураспада 6,57 часа до ¹³⁵Xe. Таким образом, в работающем ядерном реакторе ¹³⁵Xe производится постоянно. ¹³⁵Xe имеет очень большое поперечное сечение поглощения нейтронов, поэтому в среде с высоким потоком нейтронов активной зоны ядерного реактора ¹³⁵Xe вскоре поглощает нейтрон и становится почти стабильным ¹³⁶Xe. Таким образом, примерно через 50 часов ¹³⁵Концентрация Xe достигает равновесия, когда его создание ¹³⁵Распад I уравновешивается его разрушением за счет поглощения нейтронов.

Когда мощность реактора снижается или неисправность за счет введения поглощающих нейтроны регулирующих стержней поток нейтронов в реакторе уменьшается, и равновесие сначала смещается в сторону более высокого ¹³⁵Концентрация Xe. В ¹³⁵Пик концентрации Хе составляет примерно 11,1 часа после снижения мощности реактора. поскольку ¹³⁵Период полураспада Xe составляет 9,2 часа, ¹³⁵Концентрация Xe постепенно снижается до низкого уровня в течение 72 часов.

Временно высокий уровень ¹³⁵Хе с его высоким сечением поглощения нейтронов затрудняет перезапуск реактора на несколько часов. Поглощающая нейтроны ¹³⁵Xe действует как стержень управления, уменьшая реактивность. Невозможность запуска реактора из-за воздействия ¹³⁵Xe иногда называют запуском без ксенона, и говорят, что реактор "отравлен".^[6] Период времени, в течение которого реактор не может преодолеть влияние ¹³⁵Xe называют «мертвым временем ксенона».

Если достаточно реактивность есть контрольные полномочия, реактор можно перезапустить, но ксенон перегорел преходящий необходимо тщательно управлять. Поскольку стержни управления извлекаются и критичность достигается, нейтронный поток увеличивает на много порядков и ¹³⁵Xe начинает поглощать нейтроны и превращаться в ¹³⁶Xe. Реактор сжигает ядерный яд. Когда это происходит, реактивность и поток нейтронов увеличиваются, и регулирующие стержни необходимо постепенно повторно вставлять, чтобы противодействовать потере поглощения нейтронов ¹³⁵Xe. В противном случае поток нейтронов в реакторе будет продолжать увеличиваться, сжигая еще больше ксенонового яда на пути к безудержная критичность. Постоянная времени для этого переходного процесса выгорания зависит от конструкции реактора, истории уровня мощности реактора за последние несколько дней и новой настройки мощности. Для типичного увеличения мощности от 50% до 100% мощности, ¹³⁵Концентрация Xe падает примерно на 3 часа.^[7]

Неспособность предвидеть отравление ксеноном и управлять им, а также должным образом компенсировать последующее выгорание, была фактором, способствующим Чернобыльская катастрофа; во время выбега на более низкую мощность сочетание ошибки оператора и отравления ксеноном привело к падению тепловой мощности реактора до уровня, близкого к остановке. В результате усилий экипажа по восстановлению мощности, в том числе ручного извлечения управляющих стержней, не находящихся под автоматическим управлением компьютера SKALA, реактор оказался в крайне опасной конфигурации. Неудачный КАТИСЬ Процедура, в результате которой регулирующие стержни заклинило на уровне, который фактически увеличил реактивность, вызвал тепловой переходный процесс и паровой взрыв, который разорвал реактор на части.

Реакторы, использующие непрерывную переработку, как и многие другие реактор с расплавленной солью проекты могут быть в состоянии извлечь ¹³⁵Xe из топлива и избежать этих эффектов. В реакторах на жидком топливе не может образоваться неоднородность ксенона, поскольку топливо свободно перемешивается. Так же Эксперимент в реакторе с расплавленной солью продемонстрировали, что распыление жидкого топлива в виде капель через газовое пространство во время рециркуляции может позволить ксенон и криптон оставить топливные соли. Однако удаление ксенона-135 из нейтронного облучения также заставляет реактор производить больше долгоживущий продукт деления цезий-135.

Продукты распада и захвата

А ¹³⁵Атом Xe, который не захватить нейтрон подвергается бета-распад к ¹³⁵CS, один из 7 долгоживущие продукты деления, а ¹³⁵Xe, который захватывает нейтрон, становится почти стабильным ¹³⁶Xe.

Вероятность захвата нейтрона перед распадом зависит от потока нейтронов, который сам зависит от типа реактора, обогащения топлива и уровня мощности; и ¹³⁵Cs / ¹³⁶Отношение Xe переключает свою преобладающую ветвь очень близко к обычным условиям реактора. ¹³⁵Хе во время стационарной работы реактора, улавливающего нейтрон, включает 90%,^[8] 39%–91%^[9] и «практически все».^[10]Например, в (несколько высоком) потоке нейтронов 10¹⁴ п · см⁻²· С⁻¹, сечение ксенона σ = 2.65×10⁻¹⁸ см² (2.65×10⁶ сарай) приведет к вероятности захвата 2.65×10⁻⁴ s⁻¹, что соответствует периоду полураспада около одного часа. По сравнению с периодом полураспада 9,17 часа ¹³⁵Xe, это отношение почти десять к одному означает, что в таких условиях практически все ¹³⁵Xe захватит нейтрон перед распадом. Но если уменьшить поток нейтронов до одной десятой этого значения, как в КАНДУ реакторов соотношение будет 50-50, а половина ¹³⁵Xe будет преобразован в ¹³⁵Cs до захвата нейтрона.

¹³⁶Хе от захвата нейтронов оказывается частью окончательного стабильного деления ксенон который также включает ¹³⁶Xe, ¹³⁴Xe, ¹³²Xe и ¹³¹Xe производится делением и бета-распад а не нейтронный захват.

Ядра ¹³³Xe, ¹³⁷Xe и ¹³⁵Xe, которые не захватили нейтрон все бета-распад к изотопы цезия. Деление производит ¹³³Xe, ¹³⁷Xe и ¹³⁵Xe примерно в равных количествах, но после захвата нейтронов цезий при делении содержит более стабильные ¹³³Cs (который, однако, может стать ¹³⁴CS дальше нейтронная активация ) и высокорадиоактивный ¹³⁷CS чем ¹³⁵CS.

Пространственные колебания ксенона

Большие тепловые реакторы с низкой магнитной связью между областями могут испытывать пространственные колебания мощности.^[11] из-за неравномерного присутствия ксенона-135. Вызванные ксеноном пространственные колебания мощности возникают в результате быстрых возмущений в распределении мощности, которые приводят к смещению распределения ксенона и йода по фазе с нарушенным распределением мощности. Это приводит к сдвигу в распределении ксенона и йода, что приводит к изменению распределения мощности в направлении, противоположном первоначальному возмущению.

Мгновенная скорость производства ксенона-135 зависит от концентрации йода-135 и, следовательно, от истории локального нейтронного потока. С другой стороны, скорость разрушения ксенона-135 зависит от мгновенного локального потока нейтронов.

Комбинация отложенной генерации и высокого сечения захвата нейтронов оказывает разнообразное влияние на работу ядерного реактора. Механизм описан в следующих четырех шагах.

1. Первоначальное отсутствие симметрии (например, осевой симметрии в случае осевых колебаний) в распределении мощности активной зоны (например, в результате значительного перемещения регулирующих стержней) вызывает дисбаланс скоростей деления в активной зоне реактора, и, следовательно, в накоплении йода-135 и абсорбции ксенона-135.
2. В области с высоким потоком выгорание ксенона-135 позволяет потоку еще больше увеличиваться, в то время как в области с низким потоком увеличение ксенона-135 вызывает дальнейшее снижение потока. Концентрация йода увеличивается при большом потоке и уменьшается при низком потоке. Этот сдвиг в распределении ксенона таков, что увеличивает (уменьшает) свойства размножения области, в которой поток увеличился (уменьшился), тем самым увеличивая наклон потока.
3. Как только уровни йода-135 увеличиваются в достаточной степени, распад на ксенон меняет исходную ситуацию. В этой области поток уменьшается, а мощность бывшей области с низким потоком увеличивается.
4. Повторение этих схем может привести к колебаниям ксенона, перемещающимся вокруг активной зоны с периодами порядка 24 часов.

При небольшом изменении общего уровня мощности эти колебания могут значительно изменить местные уровни мощности. Это колебание может остаться незамеченным и достичь опасных локальных уровней магнитного потока, если контролировать только общую мощность сердечника. Таким образом, в большинстве реакторов типа PWR используются тандемные детекторы нейтронных нейтронов с диапазоном мощности для раздельного контроля верхней и нижней половин активной зоны.

Смотрите также

• Изотопы ксенона
• Останов (ядерный реактор)

использованная литература

дальнейшее чтение

• «Отравление ксеноном» или поглощение нейтронов в реакторах