Отравление и шлакование ядерного реактора

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.

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%.

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.