3. Ксеноновое отравление ядерного топлива и «йодная яма». Самариевое зашлаковывание топлива. Проблемы, связанные с отравлением и зашлаковыванием, и способы их решения.

Опыт Ферми: реактор работал двое суток, затем остановили. Запустили затем через 12 часов – не заработал, а через трое суток заработал.

Ио́дная я́ма, или ксено́новая я́ма — состояние реактора после выключения либо снижения его мощности, характеризующееся накоплением короткоживущего изотопа ксенона (¹³⁵Xe, T_1\2= 9,14 часа), образующегося в результате радиоактивного распада изотопа иода (¹³⁵I, T_1\2=6,57 часа). Этот процесс приводит к временному появлению значительной отрицательной реактивности, что, в свою очередь, делает невозможным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1—2 суток).

Наличие иодной ямы является одним из проявлений т. н. отравления реактора и делает крайне невыгодной работу АЭС в режиме постоянно меняющейся выходной мощности.

Причины образования

В процессе деления ядер урана, во время работы реактора, среди прочих продуктов деления образуется радиоактивный изотоп иода ¹³⁵I (T_1\2= 6,57 часа). В результате β-распада он превращается в изотоп ксенона ¹³⁵Xe (T_1\2= 9,14 часа),тоже радиоактивен, хорошо поглощает нейтроны. Поглощённые им нейтроны, очевидно, не могут участвовать в цепной реакции деления урана, поэтому, присутствие ¹³⁵Xe снижает запас реактивности реактора. В реакторе, работающем на большой мощности, убыль ¹³⁵Xe определяется его радиоактивным распадом и «выгоранием» в результате захвата нейтронов.≈

После выключения реактора плотность потока нейтронов φ≈0 в АЗ. Изменение концентрации ¹³⁵Xe в АЗ выключенного реактора определяется разницей в скоростях β-распада ¹³⁵I и ¹³⁵Xe. За 1 с в 1 м³ ядерного топлива возникает λ_IN_I и убывает λ_XeN_Xe ядер ¹³⁵Xe. Если активность ¹³⁵I больше активности ¹³⁵Xe (λ_IN_I > λ_XeN_Xe), то концентрация ¹³⁵Xe в активной зоне растёт, и наоборот.

Равновесная концентрация ¹³⁵I N_0I в работающем реакторе пропорциональна величине φ, в то время как равновесная концентрация ¹³⁵Xe N_0Xe мало зависит от неё при φ>10¹⁷ нейтр./(м²·с). Вследствие этого, при плотности потока φ>10¹⁷ нейтр./(м²·с) величина N_0I становится больше N_0Xe. Так как постоянная распада λ_I > λ_Xe, то в некотором интервале времени после выключения реактора λ_I > λ_Xe. Поэтому концентрация ¹³⁵Xe в выключенном реакторе вначале растёт до тех пор, пока активности ¹³⁵I и ¹³⁵Xe не станут равными (то есть до выполнения условия векового равновесия). После этого распад ¹³⁵I уже не компенсирует убыль ¹³⁵Xe, и концентрация последнего начинает уменьшаться вместе с иодом.

Зависимость концентрации ¹³⁵Xe (1) и реактивности (2) после выключения реактора. (До выключения реактора плотность потока нейтронов была =10¹⁸ нейтр./(м²·с).)

На рисунке показано изменение концентрации N_Xe(t) и реактивности δk выключенного реактора, если плотность потока φ в работающем реакторе равна φ=10¹⁸ нейтр./(м²·с). Максимальное отравление, наступающее через 11 ч после выключения реактора, возрастает с увеличением плотности потока нейтронов φ.

Реактивность выключенного реактора сначала падает, достигая минимума при максимальной концентрации ксенона, а затем увеличивается. Кривая изменения реактивности имеет вид ямы, а увеличение отравления после выключения реактора связано с накоплением ¹³⁵I в работающем реакторе. Поэтому действие отравления на реактивность выключенного реактора называют иодной ямой. Она не наблюдается в реакторах с плотностью потока нейтронов φ<10¹⁷ нейтр./(м²·с).

Накопление Xe – ксеноновое отравление (δk→0), ведет к остановке реактора, т.к. большое сечение поглощения тепловых нейтронов (Ϭ).

Самариевое зашлаковывание

Используется для управления реакторами, так как сечение захвата тепловых нейтронов для природного самария > 6800 барн. Самарий, в отличие от других элементов с высоким сечением захвата (бор, кадмий) «не выгорает» в реакторе, поскольку при интенсивном нейтронном облучении образуются дочерние изотопы самария, которые также обладают очень высоким сечением захвата нейтронов. Самым высоким сечением захвата тепловых нейтронов среди изотопов самария (в природной смеси) обладает самарий-149 (41000 барн). В атомной промышленности используется окись (специальные эмали и стекла), гексаборид и карбид (регулирующие стержни), борат самария.

Способы решения

1. Чаще перегружать, чтобы избегать зашлаковывания

2. Перегрузку делать на ходу, для этого нужен канальный реактор.

Именно так устроены реакторы для наработки оружейного Pu