Отравление реактора ксеноном

Реактивность может меняться в результате действия эффектов отравления и шлакования активной зоны. В результате деления ядер урана и плутония образуются разнообразные ядра-осколки деления и ядра-продукты радиоактивного распада осколков. В частности, ¹³⁵ Хе обладает большим сечением захвата нейтронов s_a≈ 3, 5·10⁶ барн при энергии нейтронов 0, 025 эВ. Около 5% ядер ¹³⁵Хе образуются непосредственно после деления, а 95% после распада ¹³⁵I. Небольшая доля ¹³⁵ I образуется не непосредственно при делении, а в результате радиоактивного распада другого осколка ¹³⁵ Te. Период полураспада ¹³⁵ Te очень мал, поэтому в расчетах предполагается, что весь ¹³⁵ I образуется непосредственно при делении. Цепочка b- распада:

.)

Период полураспада ¹³⁵ Te близок к 2 мин, поэтому после деления ядра ¹³⁵ Te практически сразу же превращаются в ядра ¹³⁵ I. Периоды полураспада ¹³⁵I и ¹³⁵Хе равны соответственно 6, 7 часов и 9, 2 часа, то есть ксенон живет в 1, 4 раза дольше, чем йод.

Баланс ядер ¹³⁵ I и ¹³⁵ Хе и в реакторе описывается системой уравнений:

;

,

где - концентрация ядер соответственно йода и ксенона; - выход йода и ксенона на одно деление тяжелого изотопа (²³⁵ U, ²³⁹ Pu, ²⁴¹ Pu); Σ _f - макроскопическое сечение деления топлива, см^-1; - плотность потока тепловых нейтронов, нейтр/(см²× с); - постоянные распада йода и ксенона, с^-1; s_Хе- микроскопическое сечение поглощения нейтронов изотопом ¹³⁵ Хе, см².

При строгом рассмотрении значения Σ _f и s_Хе должны быть усреднены по спектру тепловых нейтронов в реакторе, который определяется температурой топлива и замедлителя, концентрацией борной кислоты в теплоносителе, компоновкой ТВС с топливом в активной зоне, концентрацией ядер ¹³⁵ Хе и т.д.

При условии =const; =const (т.е. при условии постоянства мощности и нейтронного потока) уравнения (8.2) и (8.3) можно решать аналитически:

,

где - равновесная концентрация ядер ¹³⁵ I.

Равновесная концентрация ядер ¹³⁵ Хе определяется из выражения

)

Как следует из приведенных формул, стационарная (равновесная) концентрация ядер ¹³⁵I и ¹³⁵Хе зависит от плотности нейтронного потока, причем концентрация ¹³⁵Хе зависит от него нелинейно.

При работе реактора на стационарной мощности 100% примерно через 40 ч устанавливается стационарное отравление ¹³⁵Хе, равное 2, 9%. В этот момент наступает равновесие образования ядер ¹³⁵ Хе из ¹³⁵ I и исчезновение их в результате радиоактивного распада и выжигания нейтронным потоком. С ростом мощности стационарное отравление ¹³⁵ Хе увеличивается нелинейно).

При изменении мощности реактора с N₁ до N₂ баланс ядер ¹³⁵ I и ¹³⁵ Хе нарушается, что вызывает переходные процессы с изменением реактивности реактора. При уменьшении мощности имеет место уменьшение реактивности реактора, так как в результате снижения мощности нейтронного потока уменьшается выжигание ксенона нейтронами, а его поступление из ¹³⁵I, количество которого в начальный момент определяется прежним уровнем мощности, не меняется, что приводит к росту концентрации ядер ¹³⁵Хе и увеличению отравления. Это явление называют йодной ямой. Наибольшая глубина йодной ямы имеет место при сбросе нагрузки реактора со 100% до нуля и достигается через 9 часов после сброса нагрузки. В дальнейшем по мере уменьшения количества ядер ¹³⁵ I и, следовательно, количества образующихся ядер ¹³⁵ Хе реактивность возрастает. При подъеме мощности отравление реактора ксеноном первоначально уменьшается (происходит разотравление) вследствие интенсивного выжигания возросшим нейтронным потоком ¹³⁵ Хе, поступление которого из ¹³⁵ I некоторое время остается соответствующим более низкому уровню мощности. Затем возросшее поступление ядер ¹³⁵ Хе из ¹³⁵ I компенсирует высвобожденную реактивность и вносит дополнительное отравление за счет увеличения концентрации ядер ¹³⁵ Хе

Время достижения максимальной глубины йодной ямы зависит от процента снижения мощности реактора. Например, если при полном сбросе нагрузки со 100% максимум отравления достигается через 9 ч, то при сбросе нагрузки со 100 до 50% он достигается через 5 ч. Полное время переходных процессов, обусловленных ¹³⁵ Хе, равно примерно 40¸ 50 ч.

Стационарное отравление Хе-135 для различных уровней Отравление Хе-135 при выходе на разные уровни мощности