Йодная яма - Iodine pit

В йодная яма, также называемый йодная дыра или ксеноновая яма, это временное отключение ядерного реактора из-за накопления короткихжил ядерные яды в активная зона реактора. Главный ответственный изотоп: 135Xe, в основном производятся из натуральных распад из 135я. 135Я слабый поглотитель нейтронов, в то время как 135Xe - самый сильный из известных поглотителей нейтронов. Когда 135Xe накапливается в топливные стержни реактора, это значительно снижает их реактивность, поглощая значительное количество нейтронов, которые обеспечивают ядерную реакцию.

Наличие 135я и 135Хе в реакторе является одной из основных причин колебаний его мощности в ответ на изменение тяга управления позиции.

Накопление недолговечных продукты деления действует как ядерный яд, называется отравление реактора, или отравление ксеноном. Накопление стабильных или долгоживущих нейтронных ядов называется шлакование реактора.

Распад и выгорание продуктов деления

Один из распространенных продукты деления является 135Te, который подвергается бета-распад с участием период полураспада от 19 секунд до 135я. 135Я сам по себе является слабым поглотителем нейтронов. Он накапливается в реакторе со скоростью, пропорциональной скорости деления, которая пропорциональна тепловой мощности реактора. 135Я претерпеваю бета-распад с периодом полураспада от 6,57 часов до 135Xe. Урожайность 135Xe для деления урана - 6,3%; около 95% 135Xe возникает в результате распада 135Я.

135Xe - самый мощный из известных поглотитель нейтронов, с поперечное сечение для тепловые нейтроны 2,6 × 106 сараи,[1] поэтому он действует как "яд "что может замедлить или остановить цепная реакция после периода эксплуатации. Это было обнаружено в первых ядерных реакторах, построенных Манхэттенский проект для плутоний производство. В результате конструкторы предусмотрели в конструкции увеличение мощности реактора. реактивность (количество нейтронов на деление, которые переходят к делению других атомов ядерное топливо ).[2]135Отравление реактора Xe сыграло важную роль в Чернобыльская катастрофа.[3]

Автор захват нейтронов, 135Xe превращается ("сгорает") в 136Xe, что эффективно[4] стабилен и существенно не поглощает нейтроны.

Скорость горения пропорциональна нейтронный поток, которая пропорциональна мощности реактора; реактор, работающий с удвоенной мощностью, будет иметь удвоенную скорость горения ксенона. Производительность также пропорциональна мощности реактора, но из-за периода полураспада 135I, этот показатель зависит от средний власть за последние несколько часов.

В результате реактор, работающий при постоянной мощности, имеет фиксированную стационарную равновесную концентрацию, но когда снижение мощность реактора, 135Концентрация Xe может увеличиться настолько, чтобы эффективно остановить реактор. Без достаточного количества нейтронов, чтобы компенсировать их поглощение 135Xe, а также для того, чтобы сжечь накопившийся ксенон, реактор должен оставаться в выключенном состоянии в течение 1-2 дней, пока не будет достаточно 135Xe распадается.

135Бета-распад Xe с периодом полураспада от 9,2 часов до 135CS; отравленное ядро ​​самопроизвольно восстанавливается после нескольких периодов полураспада. Примерно через 3 дня простоя можно предположить, что в ядре нет 135Xe, без внесения ошибок в расчеты реактивности.[5]

Невозможность перезапуска реактора в таком состоянии называется ксенон препятствовал запуску или падение в йодную яму; продолжительность этой ситуации известна как ксенон мертвое время, отключение яда, или глубина йодной ямы. Из-за риска возникновения таких ситуаций в ранней советской атомной отрасли многие операции по обслуживанию выполнялись на работающих реакторах, поскольку простои более часа приводили к накоплению ксенона, которое могло вывести реактор из строя в течение значительного времени, снижая выработку реактора. 239Пу, необходимого для ядерного оружия, и приведет к расследованию и наказанию операторов реактора.[6]

Ксенон-135 колебания

Взаимозависимость 135Накопление Xe и нейтронный поток могут привести к периодическим колебаниям мощности. В больших реакторах с малым взаимодействием нейтронного потока между их областями неоднородности потока могут привести к образованию ксеноновые колебания, периодические локальные изменения мощности реактора, движущиеся по активной зоне с периодом около 15 часов. Локальное изменение нейтронного потока вызывает повышенное выгорание 135Xe и производство 135Я, истощение 135Хе увеличивает реактивность в активной зоне. Локальная плотность мощности может изменяться в три и более раз, в то время как средняя мощность реактора остается более или менее неизменной. Сильный отрицательный температурный коэффициент причин реактивности демпфирование этих колебаний, и является желаемой конструктивной особенностью реактора.[5]

Поведение йодной ямы

Развитие (1) концентрация 135Xe и (2) реактор реактивность после остановки реактора. (До выключения нейтронный поток было φ = 1018 нейтроны м−2s−1.)

Реакционная способность реактора после остановки сначала снижается, затем снова увеличивается, имея форму ямы; это дало название «йодной яме». Степень отравления, глубина ямы и соответствующая продолжительность отключения зависят от нейтронный поток перед выключением. Поведение йодной ямы не наблюдается в реакторах с плотностью нейтронного потока ниже 5 × 1016 нейтроны м−2s−1, как 135Хе в основном удаляется распадом, а не захватом нейтронов. Поскольку запас реактивности активной зоны обычно ограничен 10% от Dk / k, тепловые энергетические реакторы, как правило, используют поток нейтронов не более 5 × 1013 нейтроны м−2s−1 чтобы избежать проблем с перезапуском после выключения.[5]

Изменения концентрации 135Xe в активной зоне реактора после его неисправность определяется краткосрочным история власти реактора (что определяет начальные концентрации 135я и 135Xe), а затем различиями в периоде полураспада изотопов, определяющими скорости его образования и удаления; если деятельность 135Я выше активности 135Xe, концентрация 135Xe встанет, и наоборот.

При работе реактора на заданном уровне мощности светское равновесие устанавливается в течение 40–50 часов, когда скорость образования йода-135, его распад до ксенона-135, сгорание до ксенона-136 и распад до цезия-135 поддерживает постоянное количество ксенона-135 в реакторе на постоянном уровне. данный уровень мощности.

Равновесная концентрация 135I пропорционален нейтронному потоку φ. Равновесная концентрация 135Однако Xe очень мало зависит от нейтронного потока при φ> 1017 нейтроны м−2s−1.

Увеличение мощности реактора и увеличение потока нейтронов приводит к увеличению производства 135Я и потребление 135Xe. Сначала концентрация ксенона снижается, затем снова медленно увеличивается до нового равновесного уровня, так как теперь избыток 135Я разлагаюсь. При увеличении типовой мощности от 50 до 100% 135Концентрация Xe падает примерно на 3 часа.[7]

Снижение мощности реактора снижает производство новых 135I, но также снижает скорость горения 135Xe. Какое-то время 135Xe накапливается в зависимости от количества доступных 135I, затем его концентрация снова снижается до равновесия для данного уровня мощности реактора. Пиковая концентрация 135Хе возникает примерно через 11,1 часа после снижения мощности, а равновесие достигается примерно через 50 часов. Полная остановка реактора - это крайний случай падения мощности.[8]

Меры предосторожности при проектировании

Если достаточно реактивность имеется орган управления, реактор мочь перезапускается, но перегорает ксенон 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 горит ядерный яд. По мере того, как это происходит, реактивность увеличивается, и регулирующие стержни необходимо постепенно снова вставлять, иначе мощность реактора возрастет. Постоянная времени этого переходного процесса выгорания зависит от конструкции реактора, истории уровня мощности реактора за последние несколько дней (следовательно, 135Xe и 135I концентрации присутствуют) и новые настройки мощности. Для типичного увеличения мощности от 50% до 100% мощности, 135Концентрация Xe падает примерно на 3 часа.[7]

Первый раз 135Отравление ядерным реактором Xe произошло 28 сентября 1944 года в штабеле 100-B на площадке в Хэнфорде. Реактор B был реактором для производства плутония, построенным 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. Физик Джон Арчибальд Уиллер, работая в DuPont в то время вместе с Энрико Ферми смогли идентифицировать, что падение нейтронного потока и последующее отключение были вызваны накоплением 135Хе в топливе реактора. К счастью, реактор был построен с запасными топливными каналами, которые затем использовались для увеличения нормальных рабочих уровней реактора, тем самым увеличивая скорость выгорания накопившихся 135Xe.[9]

Реакторы с большими физическими размерами, например то РБМК типа, могут развиваться значительные неоднородности концентрации ксенона через активную зону. Контроль таких неоднородно отравленных сердечников, особенно на малой мощности, представляет собой сложную проблему. В Чернобыльская катастрофа возник в результате попытки вывести реактор 4 из неравномерно отравленного состояния. Реактор работал на очень низких уровнях мощности при подготовке к испытанию, после которого должен был последовать плановый останов. Незадолго до теста мощность резко упала из-за накопления 135Xe в результате низкой скорости выгорания при малой мощности. Операторы, не подозревая о состоянии,[оспаривается – обсудить] снял все регулирующие тяги, кроме 6, в попытке восстановить мощность. За этим последовала череда других ошибок, вызвавших скачок мощности, который привел к взрыву и разрушению реактора 4.

Эффект йодной ямы необходимо учитывать при проектировании реактора. Высокие значения удельная мощность, что приводит к высокой производительности продуктов деления и, следовательно, к более высоким концентрациям йода, требует большего количества и обогащения ядерное топливо используется для компенсации. Без этого резерва реактивности остановка реактора не позволила бы его перезапустить на несколько десятков часов до 135Я/135Xe распадается в достаточной степени, особенно незадолго до замены отработавшего топлива (с высоким сжечь и накопил ядерные яды ) со свежим.

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 ксенону и криптону покинуть топливные соли. Удаление 135Xe от нейтронного облучения также означает, что реактор будет производить больше долгоживущий продукт деления 135CS.

использованная литература

  1. ^ Стейси, Уэстон М. (2007). Физика ядерных реакторов. Wiley-VCH. п. 213. ISBN  978-3-527-40679-1.
  2. ^ Штат сотрудников. «Хэнфорд становится операционным». Манхэттенский проект: интерактивная история. Министерство энергетики США, Управление ресурсов истории и наследия. Архивировано из оригинал 14 октября 2010 г.. Получено 2013-03-12.
  3. ^ Пфеффер, Джереми I .; Нир, Шломо (2000). Современная физика: вводный текст. Imperial College Press. стр. 421 и сл. ISBN  1-86094-250-4.
  4. ^ Ксенон-136 подвергается двойной бета-распад с чрезвычайно длительным периодом полураспада 2,165 × 1021 лет.
  5. ^ а б c "Ксенон-135 Колебания". Ядерная физика и теория реакторов (PDF). 2 из 2. Министерство энергетики США. Январь 1993. с. 39. DOE-HDBK-1019 / 2-93. Получено 2014-08-21.
  6. ^ Круглов, Аркадий (15 августа 2002 г.). История советской атомной промышленности. С. 57, 60. ISBN  0-41526-970-9.
  7. ^ а б График переходных процессов распада ксенона
  8. ^ Справочник DOE по основам: Ядерная физика и теория реакторов, том 2 (PDF). Министерство энергетики США. Январь 1993. С. 35–42. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-11-09. Получено 2013-03-12.
  9. ^ "Интервью Джона Уиллера (1965)". www.manhattanprojectvoices.org. Получено 2019-06-19.
  • C.R. Nave. "Ксеноновое отравление". Гиперфизика. Государственный университет Джорджии. Получено 2013-03-12.
  • Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. - М .: Атомиздат, 1960.
  • Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. - М .: Атомиздат, 1979.