Jodgrop

Jodgropen , även kallad jodhålet eller xenongropen , är en tillfällig inaktivering av en kärnreaktor på grund av ansamling av kortlivade kärngifter i reaktorhärden . Den huvudsakliga isotopen som är ansvarig är ¹³⁵ Xe , huvudsakligen producerad genom naturligt sönderfall av ¹³⁵ I. ¹³⁵ I är en svag neutronabsorbator , medan ¹³⁵ Xe är den starkaste kända neutronabsorbatorn. När ¹³⁵ Xe byggs upp i bränslestavarna i en reaktor, sänker det avsevärt deras reaktivitet genom att absorbera en betydande mängd neutroner som ger kärnreaktionen.

Närvaron av ^135I och ^135Xe i reaktorn är en av huvudorsakerna till dess effektfluktuationer som reaktion på ändring av styrstavspositioner .

Uppbyggnaden av kortlivade klyvningsprodukter som fungerar som nukleära gifter kallas reaktorförgiftning eller xenonförgiftning . Uppbyggnad av stabila eller långlivade neutrongifter kallas reaktorslaggning .

Fissionsprodukter sönderfaller och bränns ut

En av de vanliga fissionsprodukterna är ¹³⁵ Te , som genomgår beta-sönderfall med halveringstid på 19 sekunder till ¹³⁵ I . ¹³⁵ I själv är en svag neutronabsorbator. Den byggs upp i reaktorn i en hastighet som är proportionell mot klyvningshastigheten, vilket är proportionell mot reaktorns termiska effekt. ¹³⁵ I genomgår beta-sönderfall med halveringstid på 6,57 timmar till ¹³⁵ Xe . Utbytet av ¹³⁵ Xe för uranklyvning är 6,3 %; cirka 95 % av ¹³⁵ Xe härrör från sönderfall av ¹³⁵ I.

  ¹³⁵ Xe är den mest kraftfulla kända neutronabsorbatorn , med ett tvärsnitt för termiska neutroner på 2,6×10 ⁶ ladugårdar , så det fungerar som ett " gift " som kan bromsa eller stoppa kedjereaktionen efter en tids drift. Detta upptäcktes i de tidigaste kärnreaktorerna byggda av Manhattan Project för plutoniumproduktion . Som ett resultat gjorde konstruktörerna åtgärder i designen för att öka reaktorns reaktivitet (antalet neutroner per klyvning som fortsätter att klyva andra atomer av kärnbränsle) . ¹³⁵ Xe-reaktorförgiftning spelade en stor roll i Tjernobyl-katastrofen .

Genom neutroninfångning omvandlas ^{135 Xe ("bränns"} ) till ¹³⁶ Xe , vilket är effektivt stabilt och inte nämnvärt absorberar neutroner.

Brännhastigheten är proportionell mot neutronflödet , vilket är proportionellt mot reaktoreffekten; en reaktor som körs med dubbelt så stor effekt kommer att ha dubbelt så hög xenonförbränningshastighet. Produktionshastigheten är också proportionell mot reaktoreffekten, men på grund av halveringstiden på ¹³⁵ I beror denna hastighet på medeleffekten under de senaste timmarna.

Som ett resultat har en reaktor som arbetar med konstant effekt en fast jämviktskoncentration i jämviktstillstånd, men när reaktoreffekten sänks kan ¹³⁵ Xe-koncentrationen öka tillräckligt för att effektivt stänga av reaktorn. Utan tillräckligt med neutroner för att kompensera deras absorption med ¹³⁵ Xe, och inte heller för att bränna det uppbyggda xenonet, måste reaktorn hållas i avstängt tillstånd i 1–2 dagar tills tillräckligt med 135 ^Xe sönderfaller.

¹³⁵ Xe beta-sönderfall med halveringstid på 9,2 timmar till ¹³⁵ Cs ; en förgiftad kärna kommer spontant att återhämta sig efter flera halveringstider. Efter ca 3 dagars avstängning kan kärnan antas vara fri från ¹³⁵ Xe, utan att den inför fel i reaktivitetsberäkningarna.

Reaktorns oförmåga att startas om i sådant tillstånd kallas xenonförhindrad start eller fall i en jodgrop ; varaktigheten av denna situation är känd som xenon-dödtid , giftavbrott eller jodgropdjup . På grund av risken för sådana situationer, i den tidiga sovjetiska kärnkraftsindustrin, utfördes många serviceoperationer på reaktorer igång, eftersom stilleståndstider längre än en timme ledde till xenonuppbyggnad som kunde hålla reaktorn offline under betydande tid, minska produktionen av ²³⁹ Pu , som krävs för kärnvapen, och skulle leda till utredningar och bestraffning av reaktoroperatörerna.

Xenon-135 svängningar

Det ömsesidiga beroendet av ¹³⁵ Xe-uppbyggnad och neutronflödet kan leda till periodiska effektfluktuationer. I stora reaktorer, med lite neutronflödeskoppling mellan deras regioner, kan flödesojämnheter leda till bildandet av xenonoscillationer , periodiska lokala variationer av reaktoreffekt som rör sig genom härden med en period på cirka 15 timmar. En lokal variation av neutronflödet orsakar ökad utbränning av ¹³⁵ Xe och produktion av ¹³⁵ I, utarmning av ¹³⁵ Xe ökar reaktiviteten i kärnområdet. Den lokala effekttätheten kan ändras med en faktor tre eller mer, medan reaktorns medeleffekt förblir mer eller mindre oförändrad. Stark negativ temperaturkoefficient för reaktivitet orsakar dämpning av dessa svängningar och är en önskad reaktordesignfunktion.

Jodgropbeteende

Utveckling av (1) koncentration av ¹³⁵ Xe och (2) reaktorreaktivitet efter reaktoravstängning. (Fram till avstängning var neutronflödet φ = 10 ¹⁸ neutroner/m ² s .)

Reaktorns reaktivitet efter avstängningen minskar först och ökar sedan igen, med formen av en grop; detta gav "jodgropen" dess namn. Graden av förgiftning, och gropens djup och motsvarande varaktighet av avbrottet, beror på neutronflödet före avstängningen. Jodgropbeteende observeras inte i reaktorer med neutronflödestäthet under 5×10 ¹⁶ neutroner m ⁻² s ⁻¹ , eftersom ¹³⁵ Xe i första hand avlägsnas genom sönderfall istället för neutroninfångning. Eftersom kärnreaktivitetsreserven vanligtvis är begränsad till 10 % av Dk/k, tenderar termiska kraftreaktorer att använda neutronflöde som mest cirka 5×10 13 ^neutroner m ⁻² s ⁻¹ för att undvika omstartsproblem efter avstängning.

Koncentrationsförändringarna av ¹³⁵ Xe i reaktorhärden efter dess avstängning bestäms av reaktorns kortsiktiga effekthistorik (som bestämmer de initiala koncentrationerna av ¹³⁵ I och ¹³⁵ Xe), och sedan av skillnaderna i halveringstiden för isotoperna styr hastigheten för dess produktion och avlägsnande; om aktiviteten av ^135I är högre än aktiviteten av ^135Xe , kommer koncentrationen av ^135Xe att stiga, och vice versa.

Under reaktordrift vid en given effektnivå etableras en sekulär jämvikt inom 40–50 timmar, när produktionshastigheten för jod-135, dess sönderfall till xenon-135 och dess förbränning till xenon-136 och sönderfall till cesium-135 är att hålla mängden xenon-135 i reaktorn konstant vid en given effektnivå.

Jämviktskoncentrationen på ¹³⁵ I är proportionell mot neutronflödet φ. Jämviktskoncentrationen av ¹³⁵ Xe beror dock mycket lite på neutronflödet för φ > 10 ¹⁷ neutroner m ⁻² s ⁻¹ .

Ökning av reaktoreffekten och ökningen av neutronflödet orsakar en ökning av produktionen med ¹³⁵ I och förbrukningen av ¹³⁵ Xe. Till en början minskar koncentrationen av xenon och ökar sedan långsamt igen till en ny jämviktsnivå eftersom nu överskott av ¹³⁵ I sönderfaller. Under typiska effektökningar från 50 till 100 %, sjunker ^{135 Xe-koncentrationen i cirka 3 timmar.}

Minskning av reaktoreffekten sänker produktionen av ny ¹³⁵ I, men sänker också förbränningshastigheten på ¹³⁵ Xe. Ett tag ¹³⁵ Xe upp, styrt av mängden tillgänglig ¹³⁵ I, sedan minskar dess koncentration igen till en jämvikt för den givna reaktoreffektnivån. Toppkoncentrationen av ^135Xe inträffar efter cirka 11,1 timmar efter effektminskning, och jämvikten uppnås efter cirka 50 timmar. En total avstängning av reaktorn är ett extremt fall av effektminskning.

Försiktighetsåtgärder vid design

Om tillräcklig reaktivitetskontroll finns tillgänglig kan reaktorn startas om, men en xenon-utbränningstransient måste hanteras noggrant. När kontrollstavarna extraheras och kritiken uppnås, ökar neutronflödet i många storleksordningar och ¹³⁵ Xe börjar absorbera neutroner och omvandlas till ¹³⁶ Xe. Reaktorn bränner av kärngiftet. När detta händer ökar reaktiviteten och styrstavarna måste gradvis sättas in igen annars kommer reaktoreffekten att öka. Tidskonstanten för denna avbränningstransient beror på reaktorkonstruktionen, effektnivåhistoriken för reaktorn under de senaste dagarna (därför ¹³⁵ Xe och ¹³⁵ I) och den nya effektinställningen. För ett typiskt steg upp från 50 % effekt till 100 % effekt, sjunker ^{135 Xe-koncentrationen i cirka 3 timmar.}

Första gången ¹³⁵ Xe-förgiftning av en kärnreaktor inträffade var den 28 september 1944 i Pile 100-B på Hanford-platsen. Reaktor B var en plutoniumproduktionsreaktor byggd av DuPont som en del av Manhattan-projektet. Reaktorn startades den 27 september 1944 men strömmen sjönk oväntat kort efter, vilket ledde till en fullständig avstängning på kvällen den 28 september. Nästa morgon kom reaktionen igång igen av sig själv. Fysikern John Archibald Wheeler , som arbetade för DuPont vid den tiden, kunde tillsammans med Enrico Fermi identifiera att minskningen av neutronflödet och den efterföljande avstängningen orsakades av ackumuleringen av ¹³⁵ Xe i reaktorbränslet. Lyckligtvis byggdes reaktorn med reservbränslekanaler som sedan användes för att öka reaktorns normala driftnivåer, vilket ökade utbränningshastigheten för den ackumulerande ¹³⁵ Xe.

Reaktorer med stora fysikaliska dimensioner, t.ex. RBMK -typen, kan utveckla betydande ojämnheter i xenonkoncentrationen genom härden. Kontroll av sådana icke-homogent förgiftade kärnor, särskilt vid låg effekt, är ett utmanande problem. Tjernobyl -katastrofen inträffade efter att Reactor 4 återhämtades från ett ojämnt förgiftat tillstånd. Reaktorn reducerades avsevärt som förberedelse för ett test, som skulle följas av en planerad avstängning. Strax före testet rasade effekten på grund av ackumuleringen av ¹³⁵ Xe till följd av den låga utbränningshastigheten vid låg effekt. Operatörerna drog tillbaka de flesta kontrollstavarna i ett försök att få tillbaka strömmen. Utan att operatörerna visste det, försatte dessa och andra åtgärder reaktorn i ett tillstånd där den exponerades för en återkopplingsslinga av neutronkraft och ångproduktion. Ett felaktigt avstängningssystem orsakade sedan en strömstörning som ledde till explosionen och förstörelsen av reaktor 4.

Jodgropeffekten måste beaktas vid reaktorkonstruktioner. Höga värden på effekttäthet , vilket leder till höga produktionshastigheter av klyvningsprodukter och därför högre jodkoncentrationer, kräver högre mängd och anrikning av det kärnbränsle som används för att kompensera. Utan denna reaktivitetsreserv skulle en reaktoravstängning utesluta dess återstart under flera tiotals timmar tills ¹³⁵ I/ ¹³⁵ Xe sönderfaller tillräckligt, särskilt kort före utbyte av använt bränsle (med hög utbränning och ackumulerade kärngifter ) med nytt.

Vätskebränslereaktorer kan inte utveckla xenoninhomogenitet eftersom bränslet är fritt att blandas. Dessutom visade det smälta saltreaktorexperimentet att sprutning av det flytande bränslet som droppar genom ett gasutrymme under recirkulation kan tillåta xenon och krypton att lämna bränslesalterna. Att ta bort ¹³⁵ Xe från neutronexponering innebär också att reaktorn kommer att producera mer av den långlivade fissionsprodukten ¹³⁵ Cs .

• CR Nave. "Xenonförgiftning" . Hyperfysik . Georgia State University . Hämtad 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.