Нейтронный яд - Neutron poison

«Ядерный яд» перенаправляется сюда. Не следует путать с радиационным отравлением .

В таких приложениях, как ядерные реакторы , нейтронный яд (также называемый поглотителем нейтронов или ядерным ядом ) представляет собой вещество с большим поперечным сечением поглощения нейтронов . В таких случаях поглощение нейтронов обычно является нежелательным эффектом. Однако материалы, поглощающие нейтроны, также называемые ядами, намеренно вводятся в некоторые типы реакторов, чтобы снизить высокую реактивность их первоначальной загрузки свежего топлива. Некоторые из этих ядов истощаются по мере поглощения нейтронов во время работы реактора, тогда как другие остаются относительно постоянными.

Захват нейтронов продуктами деления с коротким периодом полураспада известен как отравление реактора ; Захват нейтронов долгоживущими или стабильными продуктами деления называется шлакованием реактора .

Ядовитые продукты нестационарного деления

Основная статья: Йодная яма

Некоторые продукты деления, образующиеся в ходе ядерных реакций, обладают высокой способностью поглощать нейтроны, такие как ксенон-135 (микроскопическое сечение σ = 2 000 000 барн. (Амбары) ; до 3 млн. Баррелей в условиях реактора) и самарий-149 (σ = 74 500 б). Поскольку эти два яда продуктов деления удаляют нейтроны из реактора, они влияют на коэффициент использования тепла и, следовательно, на реактивность. Отравление активной зоны реактора этими продуктами деления может стать настолько серьезным, что цепная реакция остановится.

Ксенон-135, в частности, сильно влияет на работу ядерного реактора, потому что это самый мощный известный нейтронный яд. Невозможность перезапуска реактора из-за накопления ксенона-135 (достигает максимума примерно через 10 часов) иногда называют запуском, препятствующим ксенону . Период времени, в течение которого реактор не может преодолеть воздействие ксенона-135, называется мертвым временем ксенона или отключением отравляющего вещества . Во время периодов работы в установившемся режиме при постоянном уровне потока нейтронов концентрация ксенона-135 достигает своего равновесного значения для этой мощности реактора примерно за 40-50 часов. Когда мощность реактора увеличивается, концентрация ксенона-135 сначала уменьшается, поскольку выгорание увеличивается на новом, более высоком уровне мощности. Таким образом, динамика отравления ксеноном важна для стабильности диаграммы направленности и геометрического распределения мощности, особенно в физически больших реакторах.

Поскольку 95% производства ксенона-135 происходит из распада йода-135, период полураспада которого составляет 6-7 часов, производство ксенона-135 остается постоянным; в этот момент концентрация ксенона-135 достигает минимума. Затем концентрация увеличивается до равновесия для нового уровня мощности за то же время, примерно от 40 до 50 часов. Величина и скорость изменения концентрации в течение начального периода от 4 до 6 часов после изменения мощности зависят от начального уровня мощности и от величины изменения уровня мощности; изменение концентрации ксенона-135 больше при большем изменении уровня мощности. Когда мощность реактора снижается, происходит обратный процесс.

Поскольку самарий-149 не радиоактивен и не удаляется при распаде, он создает проблемы, несколько отличные от проблем, возникающих с ксеноном-135. Равновесная концентрация (и, следовательно, эффект отравления) достигает равновесного значения во время работы реактора примерно за 500 часов (примерно три недели), и, поскольку самарий-149 стабилен, концентрация остается практически постоянной во время работы реактора. Еще один проблемный изотоп, который накапливается, - это гадолиний-157 с микроскопическим поперечным сечением σ = 200000 b.

Накопление ядов продуктов деления

Существует множество других продуктов деления, которые из-за своей концентрации и сечения поглощения тепловых нейтронов оказывают отравляющее действие на работу реактора. По отдельности они не имеют большого значения, но вместе они оказывают значительное влияние. Они часто характеризуются как яды с сосредоточенными продуктами деления и накапливаются в среднем со скоростью 50 баррелей за один акт деления в реакторе. Накопление ядов продуктов деления в топливе в конечном итоге приводит к потере эффективности, а в некоторых случаях к нестабильности. На практике накопление реакторных ядов в ядерном топливе определяет время жизни ядерного топлива в реакторе: задолго до того, как произойдут все возможные деления, накопление долгоживущих продуктов деления, поглощающих нейтроны, гасит цепную реакцию. Это причина того, что ядерная переработка является полезным видом деятельности: твердое отработавшее ядерное топливо содержит около 97% исходного расщепляющегося материала, присутствующего во вновь произведенном ядерном топливе. Химическое разделение продуктов деления восстанавливает топливо, чтобы его можно было снова использовать.

Другие возможные подходы к удалению продуктов деления включают твердое, но пористое топливо, которое позволяет улетучиваться продуктам деления и жидкому или газообразному топливу ( реактор с расплавом солей , гомогенный реактор на водной основе ). Это облегчает проблему накопления продуктов деления в топливе, но создает дополнительную проблему безопасного удаления и хранения продуктов деления.

Другие продукты деления с относительно высокими сечениями поглощения включают 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm. Выше этой массы даже многие изотопы с четными массовыми числами имеют большие сечения поглощения, что позволяет одному ядру последовательно поглощать несколько нейтронов. При делении более тяжелых актинидов образуется больше более тяжелых продуктов деления в диапазоне лантаноидов, поэтому полное сечение поглощения нейтронов продуктами деления выше.

В быстром реакторе продукт яда ситуация деления может существенно отличаться из - за поглощения нейтронов поперечные сечения могут отличаться для тепловых нейтронов и быстрых нейтронов . В реакторе на быстрых нейтронах со свинцово-висмутовым охлаждением RBEC-M продукты деления с захватом нейтронов более 5% от общего количества захваченных продуктов деления составляют, по порядку, 133 Cs, 101 Ru, 103 Rh, 99 Tc, 105 Pd и 107 Pd в в ядре , где 149 Sm заменяют 107 Pd на 6-е место в бланкете размножения.

Яды разложения

Помимо ядов продуктов деления, другие материалы в реакторе распадаются на материалы, которые действуют как нейтронные яды. Примером этого является распад трития до гелия-3 . Поскольку период полураспада трития составляет 12,3 года, обычно этот распад не оказывает значительного влияния на работу реактора, поскольку скорость распада трития очень мала. Однако, если тритий произведен в реакторе, а затем оставлен в реакторе во время длительного останова на несколько месяцев, достаточное количество трития может распасться до гелия-3, что приведет к значительному увеличению отрицательной реактивности. Любой гелий-3, образовавшийся в реакторе во время останова, будет удален во время последующей работы за счет нейтронно-протонной реакции.

Контрольные яды

Во время работы реактора количество топлива, содержащегося в активной зоне, монотонно уменьшается . Если реактор должен работать в течение длительного периода времени, при заправке реактора необходимо добавить топливо сверх того, которое необходимо для точной критичности . Положительная реактивность из-за избытка топлива должна уравновешиваться отрицательной реактивностью нейтронопоглощающего материала. Подвижные регулирующие стержни, содержащие нейтронопоглощающий материал, являются одним из методов, но сами регулирующие стержни для уравновешивания избыточной реактивности могут быть непрактичными для конкретной конструкции активной зоны, поскольку может быть недостаточно места для стержней или их механизмов, а именно на подводных лодках, где особенно много места. в большом почете.

Горючие яды

Чтобы контролировать большие количества избыточной реактивности топлива без регулирующих стержней, выгорающие яды загружаются в активную зону. Горючие яды - это материалы с высоким сечением поглощения нейтронов, которые в результате поглощения нейтронов превращаются в материалы с относительно низким сечением поглощения. Из-за выгорания ядовитого материала отрицательная реактивность выгорающего яда уменьшается в течение срока службы активной зоны. В идеале эти яды должны снижать свою отрицательную реактивность с той же скоростью, с которой истощается избыточная положительная реактивность топлива. Фиксированные горючие яды обычно используются в форме соединений бора или гадолиния, которые имеют форму отдельных стержней или пластин решетки или вводятся в качестве добавок к топливу. Поскольку они обычно могут быть распределены более равномерно, чем регулирующие стержни, эти яды менее разрушительны для распределения мощности активной зоны. Фиксированные выгорающие отравляющие вещества также могут быть дискретно загружены в определенные места в активной зоне, чтобы формировать или контролировать профили потока, чтобы предотвратить чрезмерный поток и пик мощности вблизи определенных областей реактора. Однако в настоящее время в этой службе используются фиксированные негорючие яды.

Негорючий яд

Негорючий яд - это яд, который поддерживает постоянную отрицательную реактивность на протяжении всего срока службы активной зоны. Хотя нейтронный яд не является строго негорючим, с некоторыми материалами можно обращаться как с негорючими ядами при определенных условиях. Один из примеров - гафний . В нем пять стабильных изотопов ,176
Hf
 через 180
Hf
, которые все могут поглощать нейтроны, поэтому первые четыре химически не изменяются за счет поглощения нейтронов. (Окончательное поглощение производит181
Hf
, который бета-распадается до 181
Та
.) Эта цепочка поглощения приводит к образованию долгоживущего горючего яда, который по своим характеристикам приближается к негорючему.

Растворимые яды

Растворимые яды, также называемые химической прокладкой , при растворении в водяном теплоносителе вызывают пространственно однородное поглощение нейтронов . Наиболее распространенным растворимым ядом в промышленных реакторах с водой под давлением (PWR) является борная кислота , которую часто называют растворимым бором . Борная кислота в теплоносителе снижает коэффициент использования тепла, вызывая снижение реакционной способности. Изменяя концентрацию борной кислоты в теплоносителе, процесс, называемый борацией и разбавлением, позволяет легко изменять реакционную способность активной зоны. Если концентрация бора увеличивается, охлаждающая жидкость / замедлитель поглощает больше нейтронов, добавляя отрицательную реактивность. Если концентрация бора снижается (разбавление), добавляется положительная реактивность. Изменение концентрации бора в PWR - медленный процесс, который используется в основном для компенсации выгорания топлива или накопления яда. Изменение концентрации бора позволяет свести к минимуму использование регулирующего стержня, что приводит к более пологому профилю потока по сердечнику, чем может быть получен при введении стержня. Более плоский профиль потока возникает из-за того, что нет областей пониженного потока, подобных тем, которые могли бы возникнуть в непосредственной близости от вставленных управляющих стержней. Эта система не получила широкого распространения, потому что химические вещества делают температурный коэффициент реактивности замедлителя менее отрицательным. Все коммерческие типы PWR, работающие в США (Westinghouse, Combustion Engineering и Babcock & Wilcox), используют растворимый бор для контроля избыточной реактивности. Реакторы ВМС США и реакторы с кипящей водой - нет.

Растворимые яды также используются в системах аварийного отключения. Во время SCRAM операторы могут закачивать растворы, содержащие нейтронные яды, непосредственно в теплоноситель реактора. Используются различные растворы, включая полиборат натрия и нитрат гадолиния (Gd (NO 3 ) 3 · x H 2 O).

Рекомендации

Библиография