Отравление ядерного реактора ксеноном-135

Отравление ЯР – накопление в работающем реакторе β-нестабильных короткоживущих осколков деления, непроизвольно захватывающих тепловые нейтроны – отравление топлива.

Отравление реактора практически полностью определяется ядрами ¹³⁵Хе. Он имеет сравнительно большой выход, быстро накапливается и приводит к отравлению реактора. При анализе отравления еще выделяют и накопление стабильного изотопа ¹⁴⁹Sm, обладающего высоким сечением поглощения тепловых нейтронов и сравнительно заметным выходом. В отличие от ксенона самарий устойчив и по установившейся терминологии должен был бы относиться к шлакам. Однако благодаря высокому сечению поглощения тепловых нейтронов при сравнительно больших плотностях потоков нейтронов концентрация его достигает равновесного значения, и в этом смысле действие ¹⁴⁹Sm на реактивность проявляется аналогично ¹³⁵Хе. Поэтому наряду с отравлением ксеноном говорят об отравлении самарием.

Схема отравления реактора ¹³⁵Хе показана на рис.

Из рисунка видно, что образование ¹³⁵Хе происходит как непосредственно при делении ядер ²³⁵U (с удельным выходом g_Xe=0,003) так и, главным образом, в результате цепочки b^- - распадов ядер теллура ¹³⁵Те и йода ¹³⁵I (с удельным выходомg_Те=g_I=0,061). Строго говоря, не весь ¹³⁵I превращается в ¹³⁵Хе. Часть его выгорает, но учитывая незначительное сечение захвата ¹³⁵I, этим эффектом можно пренебречь по сравнению со скоростью убыли его концентрации за счет радиоактивного распада.

Ксенон имеет огромное микроскопическое сечение поглощения тепловых нейтронов s_{а, Хе}»2.5´10⁶ б. Это наибольшее из сечений всех известных веществ. Величинаs_а у ¹³⁵Хе существенно зависит от энергии нейтронов.

Видно, что с ростом энергии нейтронов значение s_а у ¹³⁵Хе сильно падает, поэтому эффект отравления ¹³⁵Хе существен только в реакторах на тепловых нейтронах.

Убыль концентрации ¹³⁵Хе происходит вследствие его радиоактивного распада ((Т_1/2)_Xe=9.2 ч) и выгорания с образованием ¹³⁶Хе. Поскольку микроскопическое сечение захвата ¹³⁶Хе составляет порядка 0,16 б, изменение его концентрации не оказывает влияния на условия размножения нейтронов.

Уравнения кинетики отравления для единичного объема топлива могут быть составлены по аналогии с предыдущим параграфом.

С учетом сказанного уравнение, описывающее изменение во времени концентрации ¹³⁵Хе, можно представить в виде:

где 1- изменение во времени концентрации ¹³⁵Хе;

2 - накопление ¹³⁵Хе как продукта деления²³⁵U ;

3 - накопление ¹³⁵Хе как продукта распада¹³⁵ I ;

4 - убыль¹³⁵Хе в следствии выгорания;

5 - убыль¹³⁵Хе в следствии радиоактивного распада;

l_Xe=2,12´10^-5 с^-1 - постоянная радиоактивного распада ¹³⁵Хе.