В таких приложениях, как ядерные реакторы , нейтронный яд (также называемый поглотителем нейтронов или ядерным ядом ) представляет собой вещество с большим поперечным сечением поглощения нейтронов . [1] В таких приложениях поглощение нейтронов обычно является нежелательным эффектом. Однако поглощающие нейтроны материалы, также называемые ядами, намеренно вставляются в некоторые типы реакторов, чтобы снизить высокую реактивность их первоначальной свежей топливной загрузки. Некоторые из этих ядов истощаются, поскольку они поглощают нейтроны во время работы реактора, в то время как другие остаются относительно постоянными.
Захват нейтронов продуктами деления с коротким периодом полураспада известен как отравление реактора ; захват нейтронов долгоживущими или стабильными продуктами деления называется шлакованием реактора . [2]
Некоторые из продуктов деления, образующихся в ходе ядерных реакций , обладают высокой способностью поглощать нейтроны, например, ксенон-135 (микроскопическое поперечное сечение σ = 2 000 000 барн (б); до 3 миллионов барн в условиях реактора) [3] и самарий-149 (σ = 74 500 б). Поскольку эти два яда продуктов деления удаляют нейтроны из реактора, они будут влиять на тепловой коэффициент использования и, следовательно, на реактивность. Отравление активной зоны реактора этими продуктами деления может стать настолько серьезным, что цепная реакция остановится.
Ксенон-135 в частности оказывает огромное влияние на работу ядерного реактора, поскольку является самым мощным известным нейтронным ядом. Невозможность перезапуска реактора из-за накопления ксенона-135 (достигает максимума примерно через 10 часов) иногда называют пуском, исключенным ксеноном . Период времени, в течение которого реактор не может преодолеть эффекты ксенона-135, называется мертвым временем ксенона или отключением яда . В периоды работы в устойчивом режиме при постоянном уровне потока нейтронов концентрация ксенона-135 нарастает до своего равновесного значения для этой мощности реактора примерно за 40–50 часов. Когда мощность реактора увеличивается, концентрация ксенона-135 первоначально уменьшается, поскольку выгорание увеличивается на новом, более высоком уровне мощности. Таким образом, динамика отравления ксеноном важна для стабильности картины потока и геометрического распределения мощности, особенно в физически больших реакторах.
Поскольку 95% ксенона-135 образуется в результате распада йода-135 , период полураспада которого составляет 6–7 часов, производство ксенона-135 остается постоянным; в этот момент концентрация ксенона-135 достигает минимума. Затем концентрация увеличивается до равновесия для нового уровня мощности за то же время, примерно за 40–50 часов. Величина и скорость изменения концентрации в течение начального периода от 4 до 6 часов после изменения мощности зависят от начального уровня мощности и от величины изменения уровня мощности; изменение концентрации ксенона-135 больше для большего изменения уровня мощности. Когда мощность реактора уменьшается, процесс меняется на обратный. [4]
Поскольку самарий-149 не радиоактивен и не удаляется при распаде, он представляет проблемы, несколько отличающиеся от тех, которые встречаются с ксеноном-135. Равновесная концентрация (и, следовательно, эффект отравления) достигает равновесного значения во время работы реактора примерно за 500 часов (около трех недель), и поскольку самарий-149 стабилен, концентрация остается практически постоянной во время работы реактора. [5] Другим проблемным изотопом, который накапливается, является гадолиний-157 с микроскопическим поперечным сечением σ = 200 000 барн.
Существует множество других продуктов деления, которые в результате своей концентрации и сечения поглощения тепловых нейтронов оказывают отравляющее действие на работу реактора. По отдельности они не имеют большого значения, но вместе они оказывают значительное влияние. Их часто характеризуют как сосредоточенные яды продуктов деления , которые накапливаются со средней скоростью 50 барн на событие деления в реакторе. Накопление ядов продуктов деления в топливе в конечном итоге приводит к потере эффективности, а в некоторых случаях и к нестабильности. На практике накопление реакторных ядов в ядерном топливе определяет срок службы ядерного топлива в реакторе: задолго до того, как произойдут все возможные деления, накопление долгоживущих поглощающих нейтроны продуктов деления гасит цепную реакцию. Вот почему ядерная переработка является полезным видом деятельности: твердое отработанное ядерное топливо содержит около 97% исходного расщепляющегося материала, присутствующего в недавно изготовленном ядерном топливе. Химическое разделение продуктов деления восстанавливает топливо, так что его можно использовать снова.
Другие потенциальные подходы к удалению продуктов деления включают твердое, но пористое топливо, которое позволяет продуктам деления выходить [6] и жидкое или газообразное топливо ( реактор на расплавленной соли , водный гомогенный реактор ). Они облегчают проблему накопления продуктов деления в топливе, но создают дополнительную проблему безопасного удаления и хранения продуктов деления. Некоторые продукты деления сами по себе стабильны или быстро распадаются на стабильные нуклиды. Из (примерно полдюжины каждого) среднеживущих и долгоживущих продуктов деления , некоторые, как99
Tc , предложены для ядерной трансмутации именно из-за их существенного сечения захвата.
Другие продукты деления с относительно высокими сечениями поглощения включают 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm. [7] Выше этой массы даже многие изотопы с четным массовым числом имеют большие сечения поглощения, что позволяет одному ядру последовательно поглощать несколько нейтронов. Деление более тяжелых актинидов производит больше более тяжелых продуктов деления в диапазоне лантаноидов, поэтому общее сечение поглощения нейтронов продуктами деления выше. [8]
В быстром реакторе ситуация с отравлением продуктами деления может существенно отличаться, поскольку сечения поглощения нейтронов могут различаться для тепловых и быстрых нейтронов . В быстром реакторе RBEC-M с охлаждением свинцом-висмутом продукты деления с захватом нейтронов более 5% от общего захвата продуктов деления в активной зоне следующие: 133 Cs, 101 Ru, 103 Rh, 99 Tc, 105 Pd и 107 Pd , а 149 Sm заменяет 107 Pd на 6-м месте в зоне воспроизводства. [9]
В дополнение к ядам продуктов деления, другие материалы в реакторе распадаются на материалы, которые действуют как яды нейтронов. Примером этого является распад трития до гелия-3 . Поскольку период полураспада трития составляет 12,3 года, обычно этот распад не оказывает существенного влияния на работу реактора, поскольку скорость распада трития очень медленная. Однако, если тритий производится в реакторе, а затем остается в реакторе во время длительного простоя в течение нескольких месяцев, достаточное количество трития может распасться до гелия-3, чтобы добавить значительное количество отрицательной реактивности. Любой гелий-3, произведенный в реакторе во время периода простоя, будет удален во время последующей работы с помощью нейтронно-протонной реакции. [ необходимо разъяснение ] Реакторы на тяжелой воде под давлением будут производить небольшие, но заметные количества трития посредством захвата нейтронов в замедлителе на тяжелой воде, который также распадется до гелия-3. Учитывая высокую рыночную стоимость как трития, так и гелия-3, тритий периодически удаляется из замедлителя/охладителя некоторых реакторов CANDU и продается с прибылью. [10] Борирование воды (добавление борной кислоты к замедлителю/охладителю), которое обычно применяется в легководных реакторах под давлением, также производит немалые количества трития посредством последовательных реакций.10
5В ( н , α )7
3Ли и7
3Ли (n,α n)3 1T или (в присутствии быстрых нейтронов )7
3Ли (н,2н)6
3Ли и впоследствии6
3Ли (н,α)3
1Т. Быстрые нейтроны также производят тритий непосредственно из бора через10
5В (н,2α)3
1Т. [11] Все ядерные реакторы деления производят определенное количество трития посредством тройного деления . [ 12]
Во время работы реактора количество топлива, содержащегося в активной зоне, монотонно уменьшается . Если реактор должен работать в течение длительного периода времени, при загрузке реактора необходимо добавить топливо сверх необходимого для точной критичности . Положительная реактивность из-за избыточного топлива должна быть сбалансирована отрицательной реактивностью из материала, поглощающего нейтроны. Подвижные стержни управления, содержащие материал, поглощающий нейтроны, являются одним из методов, но одни только стержни управления для балансировки избыточной реактивности могут быть непрактичными для конкретной конструкции активной зоны, поскольку может быть недостаточно места для стержней или их механизмов, а именно на подводных лодках, где пространство особенно ограничено.
Для управления большим количеством избыточной реактивности топлива без регулирующих стержней в активную зону загружаются выгорающие поглотители. Выгорающие поглотители — это материалы с высоким сечением поглощения нейтронов, которые в результате поглощения нейтронов преобразуются в материалы с относительно низким сечением поглощения. Из-за выгорания материала поглотителя отрицательная реактивность выгорающего поглотителя уменьшается в течение срока службы активной зоны. В идеале эти поглотители должны уменьшать свою отрицательную реактивность с той же скоростью, с которой истощается избыточная положительная реактивность топлива.
Фиксированные выгорающие поглотители обычно используются в виде соединений бора [13] или гадолиния , которые формируются в отдельные решетчатые штифты или пластины, или вводятся в качестве добавок к топливу. Поскольку они обычно могут быть распределены более равномерно, чем стержни управления, эти поглотители меньше мешают распределению мощности активной зоны. Фиксированные выгорающие поглотители также могут быть дискретно загружены в определенных местах в активной зоне, чтобы формировать или контролировать профили потока для предотвращения чрезмерного потока и пиков мощности вблизи определенных областей реактора. Однако в настоящее время практика заключается в использовании фиксированных невыгорающих поглотителей в этой службе. [14]
Негорючий яд — это яд, который сохраняет постоянную отрицательную реактивность в течение срока службы ядра. Хотя ни один нейтронный яд не является строго негорючим, некоторые материалы могут рассматриваться как негорючие яды при определенных условиях. Одним из примеров является гафний . Он имеет пять стабильных изотопов ,176
ВЧ
через180
ВЧ
, которые все могут поглощать нейтроны, поэтому первые четыре химически не изменяются при поглощении нейтронов. (Окончательное поглощение производит181
ВЧ
, который бета-распадается до181
Та
.) Эта цепь поглощения приводит к образованию долгоживущего горючего яда, характеристики которого приближаются к несгораемым. [15]
Растворимые яды, также называемые химическими прокладками , производят пространственно однородное поглощение нейтронов при растворении в водяном теплоносителе . Наиболее распространенным растворимым ядом в коммерческих реакторах с водой под давлением (PWR) является борная кислота , которую часто называют растворимым бором . Борная кислота в теплоносителе снижает тепловой коэффициент использования, вызывая снижение реактивности. Изменяя концентрацию борной кислоты в теплоносителе, процесс, называемый борированием и разбавлением, можно легко изменять реактивность активной зоны. Если концентрация бора увеличивается (борирование), теплоноситель/замедлитель поглощает больше нейтронов, добавляя отрицательную реактивность. Если концентрация бора уменьшается (разбавление), добавляется положительная реактивность. Изменение концентрации бора в PWR является медленным процессом и используется в основном для компенсации выгорания топлива или накопления яда.
Изменение концентрации бора позволяет минимизировать использование стержней управления, что приводит к более плоскому профилю потока по активной зоне, чем может быть получено при вставке стержней. Более плоский профиль потока возникает из-за отсутствия областей с подавленным потоком, подобных тем, которые были бы получены вблизи вставленных стержней управления. Эта система не получила широкого распространения, поскольку химикаты делают коэффициент реактивности температуры замедлителя менее отрицательным. [14] Все коммерческие типы PWR, работающие в США (Westinghouse, Combustion Engineering и Babcock & Wilcox), используют растворимый бор для контроля избыточной реактивности. Реакторы ВМС США и реакторы с кипящей водой этого не делают. [ требуется ссылка ] Одной из известных проблем борной кислоты является то, что она увеличивает риски коррозии, как это было показано в инциденте 2002 года на атомной электростанции Дэвис-Бесс . [16]
Растворимые яды также используются в системах аварийного отключения. Во время SCRAM операторы могут вводить растворы, содержащие нейтронные яды, непосредственно в теплоноситель реактора. Используются различные водные растворы, включая буру и нитрат гадолиния (Gd(NO 3 ) 3 · x H 2 O). [14]