Neutrongift

I tillämpningar som kärnreaktorer är ett neutrongift (även kallat en neutronabsorbator eller ett kärngift ) ett ämne med ett stort neutronabsorptionstvärsnitt . I sådana tillämpningar är absorbering av neutroner normalt en oönskad effekt. Emellertid sätts neutronabsorberande material, även kallade gifter, avsiktligt in i vissa typer av reaktorer för att sänka den höga reaktiviteten hos deras initiala färskbränslebelastning. Vissa av dessa gifter utarmas när de absorberar neutroner under reaktordrift, medan andra förblir relativt konstanta.

Infångningen av neutroner av klyvningsprodukter med kort halveringstid kallas reaktorförgiftning ; neutronfångning av långlivade eller stabila klyvningsprodukter kallas reaktorslaggning .

Övergående fissionsprodukt gifter

Vissa av klyvningsprodukterna som genereras under kärnreaktioner har en hög neutronabsorptionskapacitet, såsom xenon-135 (mikroskopiskt tvärsnitt σ = 2 000 000 ladugårdar (b); upp till 3 miljoner ladugårdar under reaktorförhållanden) och samarium-149 (σ = 74 500 b). Eftersom dessa två fissionsproduktgifter tar bort neutroner från reaktorn kommer de att påverka den termiska utnyttjandefaktorn och därmed reaktiviteten. Förgiftningen av en reaktorhärd av dessa klyvningsprodukter kan bli så allvarlig att kedjereaktionen stannar.

Xenon-135 i synnerhet påverkar driften av en kärnreaktor enormt eftersom det är det mest kraftfulla kända neutrongiftet. Oförmågan hos en reaktor att startas om på grund av uppbyggnaden av xenon-135 (når ett maximum efter cirka 10 timmar) kallas ibland för xenonförhindrad start . Den tidsperiod under vilken reaktorn inte kan åsidosätta effekterna av xenon-135 kallas för xenondödtid eller giftavbrott . Under perioder av stationär drift, vid en konstant neutronflödesnivå , byggs xenon-135-koncentrationen upp till sitt jämviktsvärde för den reaktoreffekten på cirka 40 till 50 timmar. När reaktoreffekten ökas, minskar xenon-135-koncentrationen initialt eftersom utbränningen ökar vid den nya, högre effektnivån. Således är dynamiken i xenonförgiftning viktig för stabiliteten i flödesmönstret och geometrisk kraftfördelning, särskilt i fysiskt stora reaktorer.

Eftersom 95 % av xenon-135-produktionen kommer från jod-135- sönderfall, som har en halveringstid på 6 till 7 timmar, förblir produktionen av xenon-135 konstant; vid denna tidpunkt når xenon-135-koncentrationen ett minimum. Koncentrationen ökar sedan till jämvikt för den nya effektnivån på samma tid, ungefär 40 till 50 timmar. Storleken och hastigheten för förändring av koncentrationen under den initiala 4 till 6 timmarsperioden efter effektändringen beror på den initiala effektnivån och på storleken av förändringen i effektnivån; xenon-135-koncentrationsförändringen är större för en större förändring i effektnivån. När reaktoreffekten minskas, är processen omvänd.

Eftersom samarium-149 inte är radioaktivt och inte avlägsnas genom sönderfall, ger det problem som skiljer sig något från dem man stöter på med xenon-135. Jämviktskoncentrationen (och därmed förgiftningseffekten) byggs upp till ett jämviktsvärde under reaktordrift på cirka 500 timmar (cirka tre veckor), och eftersom samarium-149 är stabil förblir koncentrationen väsentligen konstant under reaktordrift. En annan problematisk isotop som byggs upp är gadolinium-157 , med ett mikroskopiskt tvärsnitt på σ = 200 000 b.

Ackumulerande gifter för fissionsprodukter

Det finns många andra klyvningsprodukter som till följd av sin koncentration och termiska neutronabsorptionstvärsnitt har en förgiftande effekt på reaktordriften. Var för sig har de liten betydelse, men tillsammans har de en betydande effekt. Dessa karakteriseras ofta som klumpade fissionsprodukter och ackumuleras med en genomsnittlig hastighet av 50 ladugårdar per fissionshändelse i reaktorn. Ansamlingen av gifter för klyvningsprodukter i bränslet leder så småningom till förlust av effektivitet och i vissa fall till instabilitet. I praktiken är uppbyggnad av reaktorgifter i kärnbränsle det som bestämmer livslängden för kärnbränsle i en reaktor: långt innan alla möjliga klyvningar har ägt rum dämpar uppbyggnaden av långlivade neutronabsorberande klyvningsprodukter ut kedjereaktionen. Detta är anledningen till att kärnteknisk upparbetning är en användbar verksamhet: fast använt kärnbränsle innehåller cirka 97 % av det ursprungliga klyvbara materialet som finns i nytillverkat kärnbränsle. Kemisk separation av fissionsprodukterna återställer bränslet så att det kan användas igen.

Andra potentiella tillvägagångssätt för att avlägsna klyvningsprodukter inkluderar fast men poröst bränsle som tillåter utsläpp av klyvningsprodukter och flytande eller gasformigt bränsle ( smält saltreaktor, vattenhaltig homogen reaktor ). Dessa underlättar problemet med ackumulering av klyvningsprodukter i bränslet, men utgör det ytterligare problemet att säkert avlägsna och lagra klyvningsprodukterna. Vissa fissionsprodukter är i sig stabila eller sönderfaller snabbt till stabila nuklider. Av de (ungefär ett halvdussin vardera) medellivade och långlivade fissionsprodukter föreslås vissa, som ⁹⁹
Tc , för kärntransmutation just på grund av deras icke försumbara fångstvärsnitt.

Andra klyvningsprodukter med relativt hög absorptionstvärsnitt inkluderar ⁸³ Kr, ⁹⁵ Mo, ¹⁴³ Nd, ¹⁴⁷ Pm. Ovanför denna massa har till och med många isotoper med jämna massa stora absorptionstvärsnitt, vilket gör att en kärna kan absorbera flera neutroner i serie. Fission av tyngre aktinider producerar mer av de tyngre fissionsprodukterna i lantanidområdet, så den totala neutronabsorptionstvärsnittet för fissionsprodukter är högre.

I en snabb reaktor kan giftsituationen för fissionsprodukten skilja sig väsentligt eftersom neutronabsorptionstvärsnitten kan skilja sig åt för termiska neutroner och snabba neutroner . I den RBEC-M bly-vismutkylda snabbreaktorn är klyvningsprodukterna med neutronfångning mer än 5 % av den totala infångningen av klyvningsprodukter, i ordning, ¹³³ Cs, ¹⁰¹ Ru, ¹⁰³ Rh, ⁹⁹ Tc, ¹⁰⁵ Pd och ¹⁰⁷ Pd in kärnan , med ¹⁴⁹ Sm som ersätter ^{107 Pd för 6} : e plats i avelsfilten.

Förfall gifter

Förutom gifter för klyvningsprodukter sönderfaller andra material i reaktorn till material som fungerar som neutrongifter. Ett exempel på detta är sönderfallet av tritium till helium-3 . Eftersom tritium har en halveringstid på 12,3 år påverkar detta sönderfall normalt inte reaktordriften nämnvärt eftersom sönderfallshastigheten för tritium är så långsam. Men om tritium produceras i en reaktor och sedan får stanna kvar i reaktorn under en långvarig avstängning på flera månader, kan en tillräcklig mängd tritium sönderfalla till helium-3 för att tillföra en betydande mängd negativ reaktivitet. Helium-3 som produceras i reaktorn under en avstängningsperiod kommer att avlägsnas under efterföljande drift genom en neutron-protonreaktion. ^{[ förtydligande behövs ]} Trycksatta tungvattenreaktorer kommer att producera små men anmärkningsvärda mängder tritium genom neutroninfångning i tungvattenmoderatorn, som också kommer att sönderfalla till Helium-3. Med tanke på det höga marknadsvärdet på både Tritium och Helium-3, tas Tritium med jämna mellanrum bort från moderatorn/kylvätskan i vissa CANDU -reaktorer och säljs med vinst. Vattenborering (tillsats av borsyra till moderatorn /kylvätskan) som vanligtvis används i trycksatta lättvattenreaktorer producerar också icke försumbara mängder tritium via de successiva reaktionerna
¹⁰₅ B ( n , α )
⁷₃ Li och
⁷₃ Li (n,a n)
³₁ T eller (i närvaro av snabba neutroner )
⁷₃ Li (n, 2n)
⁶₃ Li och därefter
⁶₃ Li (n, α)
³₁ T . Snabba neutroner producerar också Tritium direkt från bor via
¹⁰₅ B (n,2α)
³₁ T . Alla kärnklyvningsreaktorer producerar en viss mängd tritium via ternär klyvning .

Kontrollera gifter

Under drift av en reaktor minskar mängden bränsle som finns i härden monotont . Om reaktorn ska vara i drift under en längre tid måste bränsle utöver vad som behövs för exakt kritiskhet tillsättas när reaktorn tankas. Den positiva reaktiviteten på grund av överskottet av bränsle måste balanseras med negativ reaktivitet från neutronabsorberande material. Rörliga styrstavar som innehåller neutronabsorberande material är en metod, men enbart kontrollstavar för att balansera överskottsreaktiviteten kan vara opraktiskt för en viss kärnkonstruktion eftersom det kan finnas otillräckligt utrymme för stavarna eller deras mekanismer, nämligen i ubåtar, där utrymmet är särskilt till en premie.

Brännbara gifter

För att kontrollera stora mängder överskottsbränslereaktivitet utan kontrollstavar, laddas brännbara gifter i härden. Brännbara gifter är material som har ett tvärsnitt med hög neutronabsorption som omvandlas till material med relativt lågt absorptionstvärsnitt som ett resultat av neutronabsorption. På grund av förbränning av giftmaterialet minskar den negativa reaktiviteten hos det brännbara giftet under kärnans livslängd. Helst bör dessa gifter minska sin negativa reaktivitet i samma takt som bränslets överskott av positiva reaktivitet förbrukas. Fasta brännbara gifter används vanligtvis i form av föreningar av bor eller gadolinium som formas till separata gallerstift eller plattor, eller införs som tillsatser till bränslet. Eftersom de vanligtvis kan fördelas mer enhetligt än kontrollstavar är dessa gifter mindre störande för kärnans kraftfördelning. Fasta brännbara gifter kan också laddas diskret på specifika platser i härden för att forma eller kontrollera flödesprofiler för att förhindra överdrivet flöde och effekttoppar nära vissa områden av reaktorn. Nuvarande praxis är dock att använda fasta icke brännbara gifter i denna tjänst.

Ej brännbart gift

Ett icke brännbart gift är ett gift som upprätthåller en konstant negativ reaktivitet värd under kärnans livslängd. Medan inget neutrongift är strikt icke-brännbart, kan vissa material behandlas som icke-brännbara gifter under vissa förhållanden. Ett exempel är hafnium . Den har fem stabila isotoper , ¹⁷⁶
Hf
till ¹⁸⁰
Hf
, som alla kan absorbera neutroner, så de fyra första är kemiskt oförändrade genom att absorbera neutroner. (En slutlig absorption producerar ¹⁸¹
Hf
, som beta-sönderfaller till ¹⁸¹
Ta
.) Denna absorptionskedja resulterar i ett långlivat brännbart gift som approximerar icke-brännbara egenskaper.

Lösliga gifter

Lösliga gifter, även kallade kemiska shim , producerar en rumsligt likformig neutronabsorption när de löses upp i vattenkylvätskan . Det vanligaste lösliga giftet i kommersiella tryckvattenreaktorer ( PWR) är borsyra , som ofta kallas lösligt bor . Borsyran i kylvätskan minskar den termiska utnyttjandefaktorn, vilket orsakar en minskning av reaktiviteten. Genom att variera koncentrationen av borsyra i kylvätskan, en process som kallas borering och utspädning, kan kärnans reaktivitet lätt varieras. Om borkoncentrationen ökas, absorberar kylvätskan/moderatorn fler neutroner, vilket ger negativ reaktivitet. Om borkoncentrationen minskas (utspädning) tillsätts positiv reaktivitet. Förändringen av borkoncentrationen i en PWR är en långsam process och används främst för att kompensera för bränsleutbränning eller giftuppbyggnad. Variationen i borkoncentration gör att användningen av kontrollstaven kan minimeras, vilket resulterar i en plattare flödesprofil över kärnan än vad som kan produceras genom att stavinförs. Den flackare flödesprofilen uppstår eftersom det inte finns några områden med undertryckt flöde som de som skulle produceras i närheten av insatta styrstavar. Detta system är inte i utbredd användning eftersom kemikalierna gör moderatortemperaturreaktivitetskoefficienten mindre negativ. Alla kommersiella PWR-typer som är verksamma i USA (Westinghouse, Combustion Engineering och Babcock & Wilcox) använder lösligt bor för att kontrollera överskottsreaktivitet. US Navy-reaktorer och kokvattenreaktorer gör det inte. ^{[ citat behövs ]}

Lösliga gifter används också i nödavstängningssystem. Under SCRAM kan operatörerna injicera lösningar som innehåller neutrongifter direkt i reaktorns kylvätska. Olika vattenlösningar, inklusive borax och gadoliniumnitrat (Gd(NO ₃ ) ₃ · $x$ H ₂ O), används.

Bibliografi

DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory, Vol. 2 (PDF) . US Department of Energy . Januari 1993. Arkiverad från originalet (PDF) 2013-12-03 . Hämtad 2012-09-23 .