 |
Нестационарные ксеноновые процессы, эффект «йодной ямы»
|
|
|
|
ОТРАВЛЕНИЕ И ШЛАКОВАНИЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
В процессе работы реактора в результате деления ядерного топлива образуется много новых нуклидов – осколков деления и продуктов их радиоактивного распада. Некоторые из продуктов деления обладают большими значениями сечения захвата нейтронов.
Скорость накопления таких вредных поглотителей зависит от интенсивности процесса деления (фактически, от мощности реактора), а их убыль определяется скоростью их радиоактивного распада и поглощением ими нейтронов, приводящих к реакции радиационного захвата и образованию новых нуклидов.
Поглощение нейтронов короткоживущими нуклидами называется отравлением ядерного реактора, так как при остановке реактора канал накопления таких нуклидов исчезает, через некоторое время практически все они распадаются и перестают влиять на реактивность. Поглощение нейтронов долгоживущими и стабильными нуклидами называется шлакованием ядерного реактора.
С течением времени в стационарно работающем реакторе устанавливается равновесие между скоростью генерации отравляющих нуклидов и скоростью их убыли за счет радиоактивного распада и поглощения ими нейтронов. В результате совокупного действия обоих процессов в реакторе устанавливается стационарная (равновесная) концентрация этих нуклидов. Однако, при нестационарной работе реактора это равновесие нарушается. В результате может произойти как накопление поглотителя, так и его убыль, что, соответственно, приводит к изменению реактивности реактора. Вследствие этого имеет место ряд важнейших для управления реактором физических эффектов, таких, как «йодная яма» или «самариевая смерть».
|
|
|
Отравление 135Xe
135Xe имеет исключительно большое сечение захвата тепловых нейтронов, достигающее в тепловой точке (E = 0,025 эВ) нескольких миллионов барн.
Влияние отравления 135Xe на реактивность велико в тепловых реакторах и резко снижается при перемещении спектра нейтронов в область резонансных энергий. Для реакторов на промежуточных нейтронах эффект отравления 135Xe уже несущественен, а у быстрых реакторов отсутствует вовсе.
Стационарное отравление имеет место в случае, когда ядерные концентрации 135J и 135Xe достигают своих равновесных значений и перестают изменяться.
Зависимости равновесных концентраций 135J и 135Xe от
потока нейтронов
В реальных больших тепловых энергетических реакторах величина реактивности, вносимая равновесной концентрацией ксенона, не превышает 2,5-3%. Такая величина реактивности не является критической для работы реактора и компенсируется органами регулирования реактора.
Нестационарные ксеноновые процессы, эффект «йодной ямы»
Накопление ксенона при снижении мощности приводит к появлению дополнительной отрицательной реактивности, а при повышении мощности, наоборот, снижение концентрации ксенона влечет за собой повышение коэффициента размножения. Таким образом, ксеноновое отравление реактора ведет себя как положительная обратная связь.
Эффект «йодной ямы»: после остановки реактора отрицательная реактивность, связанная с отравлением активной зоны ксеноном, быстро нарастает. Если в системе управления реактором нет достаточного запаса реактивности для компенсации этого эффекта, то реактор попадает в подкритическую «яму» и не может быть выведен в критическое состояние до тех пор, пока концентрация ксенона не снизится. Длительность пребывания в такой яме (ширина «йодной ямы») для тепловых реакторов составляет порядка 20-30 часов.
Эффект шлакования
|
|
|
Принципиальное отличие этот эффекта состоит в том, что нуклиды-шлаки являются стабильными и снижение реактивности за счет шлаков сохраняется во времени.
Основным изотопом, вызывающим шлакование ядерного реактора, является 149Sm. Это нуклид имеет сечение поглощения тепловых нейтронов порядка 50000 барн.
Наибольшую практическую значимость для учета шлакования при эксплуатации реакторов представляет процесс остановки реактора, работающего на мощности в течение достаточно долгого промежутка времени для установления равновесных концентраций 149Pm и 149Sm. В итоге, при потоке нейтронов порядка 1014 нейтр/см2с концентрация самария, накопившегося после остановки реактора станет превышать равновесную на момент работы на мощности более, чем в два раза. При этом соответственно также более, чем в два раза возрастет отрицательная реактивность, вносимая самарием, и составит порядка 1%. При этом следует учесть, что самарий в отличие от ксенона не распадется и вносимую им отрицательную реактивность придется компенсировать органами регулирования реактора.
Особую опасность шлакование самарием представляет для высокопоточных реакторов, с потоком нейтронов 1015 нейтр/см2с и выше. В случае длительной остановки реактора концентрация самария возрастает более, чем в 10 раз, что потребует компенсации отрицательной реактивности порядка 8-10%.
|
|
|
