Нестаціонарні ксенонові процеси, ефект «йодної ями»
ОТРУЄННЯ І ШЛАКУВАННЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
У процесі роботи реактора в результаті розподілу ядерного палива утворюється багато нових нуклідів – уламків розподілу та продуктів їхнього радіоактивного розпаду. Деякі з продуктів поділу мають великі значення перерізу захоплення нейтронів.
Швидкість накопичення таких шкідливих поглиначів залежить від інтенсивності процесу розподілу (фактично, від потужності реактора), а їх зменшення визначається швидкістю їхнього радіоактивного розпаду та поглинанням ними нейтронів, що призводять до реакції радіаційного захоплення та утворення нових нуклідів.
Поглинання нейтронів короткоживучими нуклідами називається отруєнням ядерного реактора, так як при зупинці реактора канал накопичення таких нуклідів зникає, через деякий час практично всі вони розпадаються і перестають впливати на реактивність. Поглинання нейтронів довгоживучими та стабільними нуклідами називається шлакуванням ядерного реактора.
З часом у стаціонарно працюючому реакторі встановлюється рівновага між швидкістю генерації отруйних нуклідів і швидкістю їх зменшення за рахунок радіоактивного розпаду та поглинання ними нейтронів. Внаслідок сукупної дії обох процесів у реакторі встановлюється стаціонарна (рівновакова) концентрація цих нуклідів. Однак при нестаціонарній роботі реактора ця рівновага порушується. В результаті може статися як накопичення поглинача, так і його спад, що, відповідно, призводить до зміни реактивності реактора. Внаслідок цього має місце низка найважливіших для управління реактором фізичних ефектів, таких як «йодна яма» або «самарієва смерть».
Отруєння 135 Xe
135 Xe має виключно великий переріз захоплення теплових нейтронів, що досягає тепловоїточці (E= 0,025 еВ) кількох мільйонів барн.
Вплив отруєння 135 Xe на реактивність велике в теплових реакторах і різко знижується при переміщенні спектра нейтронів в область резонансних енергій. Для реакторів на проміжних нейтронах ефект отруєння 135 Xe вже несуттєвий, а швидкі реактори відсутні зовсім.
Стаціонарне отруєння має місце у разі, коли ядерні концентрації 135 J та 135 Xe досягають своїх рівноважних значень та перестають змінюватися.
Залежності рівноважних концентрацій 135 J та 135 Xe від
У реальних великих теплових енергетичних реакторах величина реактивності, що вноситься рівноважною концентрацією ксенону, вбирається у 2,5-3%. Така величина реактивності не є критичною для роботи реактора та компенсується органами регулювання реактора.
Нестаціонарні ксенонові процеси, ефект «йодної ями»
Накопичення ксенону при зниженні потужності призводить до появи додаткової негативної реактивності, а при підвищенні потужності, навпаки, зниження концентрації ксенону спричиняє підвищення коефіцієнта розмноження. Таким чином, ксенонове отруєння реактора поводиться як позитивний зворотний зв'язок.
Ефект «йодної ями»: після зупинки реактора негативна реактивність, пов'язана з отруєнням активної зони ксеноном, швидко наростає. Якщо в системі управління реактором немає достатнього запасу реактивності для компенсації цього ефекту, реактор потрапляє в підкритичну «яму» і не може бути виведений в критичний стан доти, доки концентрація ксенону не знизиться. Тривалість перебування в такій ямі (ширина йодної ями) для теплових реакторів становить близько 20-30 годин.
Ефектшлакування
Принципова відмінність цього ефекту полягає в тому, що нукліди-шлаки є стабільними та зниження реактивності за рахунок шлаків зберігається у часі.
Основним ізотопом, що викликає шлакування ядерного реактора, є 149 Sm. Це нуклід має перетин поглинання теплових нейтронів близько 50 000 барн.
Найбільшу практичну значущість для обліку шлакування при експлуатації реакторів представляє процес зупинки реактора, що працює на потужності протягом досить тривалого часу для встановлення рівноважних концентрацій 149 Pm і 149 Sm. У результаті, при потоці нейтронів порядку 10 14 нейтр/см 2 з концентрація самарію, що накопичився після зупинки реактора, буде перевищувати рівноважну на момент роботи на потужності більше, ніж у два рази. При цьому відповідно також більш ніж у два рази зросте негативна реактивність, що вноситься самарієм, і складе близько 1%. При цьому слід врахувати, що самарій на відміну від ксенону не розпадеться і негативну реактивність, що вноситься їм, доведеться компенсувати органами регулювання реактора.
Особливу небезпеку шлакування самарієм становить високопоточних реакторів, з потоком нейтронів 10 15 нейтр/см 2 з і вище. У разі тривалої зупинки реактора концентрація самарію зростає більш ніж у 10 разів, що вимагатиме компенсації негативної реактивності близько 8-10%.