Отравление реактора ксеноном и йодная яма — простое объяснение

Ксеноновое отравление — это снижение реактивности реактора из-за накопления ксенона-135. Ксенон-135 очень сильно поглощает нейтроны, поэтому даже небольшая его концентрация заметно влияет на нейтронный баланс.

Йодная яма — это период после снижения мощности или останова реактора, когда концентрация ксенона становится высокой и реактор временно трудно снова вывести на мощность.

Почему это называют отравлением

В реакторной физике «ядовитыми» называют нуклиды, которые сильно поглощают нейтроны и мешают цепной реакции.

Ксенон-135 — один из самых сильных нейтронных поглотителей. Его микроскопическое сечение поглощения тепловых нейтронов огромно по сравнению со многими другими нуклидами.

С точки зрения нейтронного баланса:

``text ксенон ↑ -> поглощение нейтронов ↑ -> kэфф ↓ -> реактивность ↓ ``

Откуда берётся ксенон-135

Ксенон-135 появляется двумя путями:

Непосредственно как продукт деления.
В результате распада йода-135.

Основная цепочка:

``text I-135 -> Xe-135 -> Cs-135 ``

Йод-135 образуется при делении ядер топлива. Затем он радиоактивно распадается в ксенон-135. Ксенон-135 либо поглощает нейтрон, либо сам распадается в цезий-135.

Почему важен именно йод

Йод-135 — предшественник ксенона-135. Даже если реактор остановить, уже накопленный йод продолжит распадаться и производить ксенон.

Поэтому после останова ксенон может не сразу уменьшаться, а некоторое время расти.

Это и создаёт эффект йодной ямы.

Что происходит на мощности

При стационарной работе реактора ксенон-135:

образуется из йода-135;
частично образуется напрямую при делении;
выгорает за счёт поглощения нейтронов;
распадается радиоактивно.

На постоянной мощности через некоторое время устанавливается равновесная концентрация ксенона.

Условно:

``text образование Xe-135 = выгорание Xe-135 + распад Xe-135 ``

Что такое выгорание ксенона

Ксенон-135 поглощает нейтрон и превращается в ксенон-136:

``text Xe-135 + n -> Xe-136 ``

Ксенон-136 уже не является таким сильным поглотителем. Этот процесс называют выгоранием ксенона.

Чем выше поток нейтронов и мощность реактора, тем интенсивнее выгорает ксенон.

Что происходит при снижении мощности

Если мощность реактора снижается, поток нейтронов уменьшается. Значит, ксенон-135 начинает хуже выгорать.

Но йод-135, накопленный ранее, продолжает распадаться в ксенон.

Итог:

``text мощность ↓ -> поток нейтронов ↓ -> выгорание Xe ↓ йод продолжает распадаться -> Xe ↑ ``

Концентрация ксенона растёт, а реактивность падает.

Что происходит после останова

После останова цепная реакция прекращается, поток нейтронов резко падает. Ксенон почти перестаёт выгорать нейтронами.

Но йод-135 ещё есть и продолжает распадаться:

``text I-135 -> Xe-135 ``

Поэтому концентрация ксенона после останова обычно сначала растёт, достигает максимума, а затем начинает снижаться за счёт собственного радиоактивного распада.

Что такое йодная яма

Йодная яма — это временный провал реактивности после снижения мощности или останова, вызванный накоплением ксенона-135 из йода-135.

Название связано с тем, что исходная причина — накопленный йод, который продолжает превращаться в ксенон.

На графике реактивность после останова может выглядеть как провал:

``text реактивность падает -> достигает минимума -> постепенно восстанавливается ``

Пока реактивность слишком низкая, реактор может быть трудно или невозможно снова вывести на мощность без достаточного запаса реактивности.

Почему реактор нельзя всегда сразу запустить обратно

После останова в активной зоне может накопиться много ксенона. Он поглощает нейтроны и создаёт отрицательную реактивность.

Если запас реактивности недостаточен, реактор остаётся подкритичным даже при выводе регулирующих стержней.

Тогда нужно ждать, пока ксенон-135 распадётся:

``text Xe-135 -> Cs-135 ``

Когда концентрация ксенона снизится, реактивность восстановится.

Временные масштабы

Период полураспада йода-135 — около 6,6 часа. Период полураспада ксенона-135 — около 9,2 часа.

Поэтому ксеноновые процессы развиваются в масштабе часов, а не секунд.

После останова максимум ксенона обычно наступает через несколько часов. Затем концентрация постепенно падает.

Точные значения зависят от типа реактора, мощности до останова, выгорания топлива и состояния активной зоны.

Ксеноновые колебания

В больших активных зонах возможны пространственные ксеноновые колебания. Это ситуация, когда мощность и концентрация ксенона перераспределяются по объёму реактора.

Например:

В одной области мощность выше.
Там быстрее накапливается йод и затем ксенон.
Ксенон подавляет мощность в этой области.
Мощность смещается в другую область.
Процесс может повторяться.

Такие эффекты учитывают при управлении распределением мощности.

Как учитывают ксенон в эксплуатации

Оператор и автоматизированные системы учитывают:

текущую мощность;
историю изменения мощности;
концентрацию ксенона;
запас реактивности;
положение органов регулирования;
допустимые темпы подъёма и снижения мощности.

При планировании останова и пуска важно понимать, когда реактор попадёт в йодную яму и когда из неё выйдет.

Как ксенон связан с безопасностью

Ксенон-135 обычно создаёт отрицательную реактивность. Сам по себе он не разгоняет реактор, а наоборот подавляет цепную реакцию.

Но он усложняет управление:

может мешать повторному пуску;
влияет на распределение мощности;
требует запаса реактивности;
ограничивает манёвренность реактора;
должен учитываться в расчётах переходных процессов.

Упрощённые уравнения

В учебных курсах используют систему уравнений для концентраций йода и ксенона:

``text dI/dt = γ_I Σ_f Φ - λ_I I ``

``text dXe/dt = γ_Xe Σ_f Φ + λ_I I - λ_Xe Xe - σ_Xe Φ Xe ``

где:

I — концентрация йода-135;
Xe — концентрация ксенона-135;
γ_I, γ_Xe — выходы йода и ксенона при делении;
Σ_f — макроскопическое сечение деления;
Φ — поток нейтронов;
λ_I, λ_Xe — постоянные распада;
σ_Xe — сечение поглощения ксенона.

Главный смысл уравнений: ксенон образуется из деления и распада йода, а исчезает за счёт распада и выгорания нейтронами.

Качественная картина после останова

После останова:

Деление почти прекращается.
Новый йод почти не образуется.
Старый йод продолжает распадаться в ксенон.
Ксенон почти не выгорает, потому что поток нейтронов мал.
Концентрация ксенона растёт.
Через несколько часов йод заканчивается, а ксенон распадается.
Реактивность постепенно восстанавливается.

Это и есть физика йодной ямы.

Коротко

Ксеноновое отравление — это поглощение нейтронов ксеноном-135, из-за которого реактивность реактора уменьшается.

Йодная яма возникает после снижения мощности или останова:

``text поток нейтронов ↓ -> ксенон хуже выгорает йод распадается -> ксенон накапливается ксенон ↑ -> реактивность ↓ ``

Для эксплуатации это важно потому, что реактор не всегда можно сразу вернуть на мощность после останова: иногда нужно ждать, пока ксенон распадётся.