Ксенон-135 ( 135 Xe ) — нестабильный изотоп ксенона с периодом полураспада около 9,2 часа . 135 Xe — продукт деления урана и самый мощный из известных нейтрон -поглощающих ядерных ядов (2 млн барн ; [1] до 3 млн барн [1] в условиях реактора [2] ) , оказывающий значительное влияние на ядерную работа реактора . Конечный выход ксенона-135 в результате деления составляет 6,3%, хотя большая часть этого количества приходится на теллур -135 и йод-135, полученные в результате деления .
В типичном ядерном реакторе, работающем на уране-235 , присутствие 135 Xe в качестве продукта деления создает проблемы для проектировщиков и операторов из-за его большого нейтронного сечения поглощения. Поскольку поглощение нейтронов может отрицательно повлиять на способность ядерного реактора увеличивать мощность, реакторы спроектированы так, чтобы смягчить этот эффект; операторы обучены правильно предвидеть эти переходные процессы и реагировать на них. Фактически, во время Второй мировой войны Энрико Ферми подозревал действие Ксе-135 и последовал совету Эмилио Сегре , связавшись со своим учеником Чиен-Шиунг Ву . Публикуемая вскоре статья Ву о Хе-135 полностью подтвердила предположение Ферми о том, что он поглотил нейтроны и разрушил реактор B , который использовался в их проекте. [3] [4]
В периоды установившейся работы при постоянном уровне нейтронного потока концентрация 135 Xe достигает равновесного значения для этой мощности реактора примерно за 40–50 часов. При увеличении мощности реактора концентрация 135 Xe первоначально снижается, поскольку выгорание увеличивается на новом, более высоком уровне мощности. Поскольку 95% производства 135 Xe происходит в результате распада йода-135 , период полураспада которого составляет 6,57 часа, производство 135 Xe остается постоянным; в этот момент концентрация 135 Xe достигает минимума. Затем концентрация увеличивается до нового равновесного уровня (точнее, уровня устойчивого состояния) для нового уровня мощности примерно через 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; изменение концентрации 135 Xe тем больше, чем больше изменение уровня мощности. При уменьшении мощности реактора процесс происходит в обратном порядке. [5]
Йод-135 представляет собой продукт деления урана с выходом около 6% (с учетом также йода-135, образующегося почти сразу же в результате распада теллура-135, полученного при делении). [6] Этот 135 I распадается с периодом полураспада 6,57 часа до 135 Xe. Таким образом, в работающем ядерном реакторе непрерывно производится 135 Хе. 135 Xe имеет очень большое сечение поглощения нейтронов, поэтому в среде с высоким нейтронным потоком активной зоны ядерного реактора 135 Xe вскоре поглощает нейтрон и становится почти стабильным 136 Xe. Таким образом, примерно через 50 часов концентрация 135 Xe достигает равновесия, при котором его образование в результате распада 135 I уравновешивается его разрушением в результате поглощения нейтронов.
Когда мощность реактора снижается или останавливается путем установки поглощающих нейтроны регулирующих стержней, поток нейтронов реактора уменьшается, и равновесие первоначально смещается в сторону более высокой концентрации 135 Xe. Пик концентрации 135 Xe достигается примерно через 11,1 часа после снижения мощности реактора. Поскольку период полураспада 135 Xe составляет 9,2 часа, концентрация 135 Xe постепенно снижается до низкого уровня в течение 72 часов.
Временно высокий уровень 135 Xe с его высоким сечением поглощения нейтронов затрудняет повторный запуск реактора на несколько часов. Поглощающий нейтроны 135 Xe действует как управляющий стержень, снижая реактивность. Невозможность запуска реактора из-за воздействия 135 Xe иногда называют запуском, запрещенным ксеноном, а реактор называют «отравленным». [7] Период времени, в течение которого реактор не способен преодолеть воздействие 135 Xe, называется «мертвым временем ксенона».
Если имеются достаточные полномочия по контролю реактивности , реактор можно перезапустить, но переходный процесс выгорания ксенона необходимо тщательно контролировать. По мере извлечения регулирующих стержней и достижения критичности нейтронный поток увеличивается на много порядков, и 135 Xe начинает поглощать нейтроны и превращаться в 136 Xe. Реактор сжигает ядерный яд. Когда это происходит, реактивность и поток нейтронов увеличиваются, и стержни управления необходимо постепенно повторно вставлять, чтобы компенсировать потерю поглощения нейтронов 135 Xe. В противном случае поток нейтронов реактора будет продолжать увеличиваться, сжигая еще больше ксенонового яда, на пути к неконтролируемой критичности . Постоянная времени этого переходного процесса выгорания зависит от конструкции реактора, истории уровня мощности реактора за последние несколько дней и новой настройки мощности. При типичном повышении мощности с 50% до 100% концентрация 135 Xe падает примерно на 3 часа. [8]
Отравление ксеноном стало одним из факторов, способствовавших чернобыльской катастрофе ; во время перехода на более низкую мощность сочетание ошибки оператора и отравления ксеноном привело к падению тепловой мощности реактора до уровня, близкого к остановленному. В результате попыток экипажа восстановить питание реактор оказался в крайне небезопасной конфигурации. Неисправность в системе SCRAM привела к положительной реактивности, что привело к температурному переходному процессу и паровому взрыву, который разорвал реактор на части.
Реакторы, использующие непрерывную переработку, как и многие конструкции реакторов с расплавленными солями, могли бы извлекать 135 Xe из топлива и избегать этих эффектов. 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. Удаление ксенона-135 из нейтронного воздействия улучшает нейтронную экономику, но заставляет реактор производить больше долгоживущего продукта деления цезия-135 . Долгоживущий (но в 76000 раз менее радиоактивный) цезий-135 конденсируется в отдельном резервуаре после распада ксенона-135 и физически отделен от цезия-137 с периодом полураспада 30,05 года, образующегося в топливе, и с ним практично обращаться. их по отдельности (выход деления для обоих составляет около 6%).
Атом 135 Xe, который не захватывает нейтрон, подвергается бета-распаду с образованием 135 Cs , одного из 7 долгоживущих продуктов деления , в то время как 135 Xe, который захватывает нейтрон, становится почти стабильным 136 Xe.
Вероятность захвата нейтрона до распада зависит от потока нейтронов, который сам зависит от типа реактора, обогащения топлива и уровня мощности; а соотношение 135 Cs/ 136 Xe меняет свою преобладающую ветвь очень близко к обычным условиям реактора. Оценки доли 135 Xe во время стационарной работы реактора, захватывающей нейтрон, включают 90%, [9] 39–91% [10] и «практически все». [11] Например, при (несколько высоком) потоке нейтронов 10 14 н·см -2 ·с -1 ксеноновое сечение σ =2,65 × 10-18 см 2 ( _2,65 × 10 6 барн) приведет к вероятности поимки2,65 × 10 -4 с -1 , что соответствует периоду полураспада около одного часа. По сравнению с периодом полураспада 135 Xe, составляющим 9,17 часа, это соотношение почти десять к одному означает, что в таких условиях практически весь 135 Xe захватит нейтрон перед распадом. Но если поток нейтронов снизить до одной десятой этого значения, как в реакторах CANDU , соотношение будет 50-50, и половина 135 Xe распадется до 135 Cs до захвата нейтрона.
136 Xe в результате захвата нейтронов попадает в состав возможного стабильного ксенона деления , который также включает 134 Xe, 132 Xe и 131 Xe, образующиеся в результате деления и бета-распада, а не захвата нейтронов.
Ядра 133 Xe, 137 Xe и 135 Xe, не захватившие нейтрона, полностью бета-распадают до изотопов цезия . При делении образуются 133 Xe, 137 Xe и 135 Xe примерно в равных количествах, но после захвата нейтрона цезий деления содержит более стабильный 133 Cs (который, однако, может стать 134 Cs при дальнейшей нейтронной активации ) и высокорадиоактивный 137 Cs , чем 135 Cs .
Большие тепловые реакторы с низкой связью потоков между областями могут испытывать пространственные колебания мощности [12] из-за неравномерного присутствия ксенона-135. Пространственные колебания мощности, индуцированные ксеноном, возникают в результате быстрых возмущений распределения мощности, которые приводят к тому, что распределение ксенона и йода не совпадает по фазе с возмущенным распределением мощности. Это приводит к сдвигу в распределениях 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 местного нейтронного потока. С другой стороны, скорость разрушения ксенона-135 зависит от мгновенного локального потока нейтронов.
Сочетание задержки генерации и высокого сечения захвата нейтронов оказывает разнообразное влияние на работу ядерного реактора. Механизм описан в следующих четырех шагах.
При небольшом изменении общего уровня мощности эти колебания могут существенно изменить локальные уровни мощности. Это колебание может остаться незамеченным и достичь опасных локальных уровней потока, если контролировать только общую мощность активной зоны. Поэтому в большинстве реакторов PWR используются детекторы нейтронов за пределами активной зоны тандемного диапазона мощности для отдельного мониторинга верхней и нижней половины активной зоны.