Ксенон-135 - Xenon-135

Ксенон-135,135Xe
Общее
Символ135Xe
Именаксенон-135, Xe-135
Протоны54
Нейтронов81
Данные о нуклидах
Природное изобилиесин
Период полураспада9,14 ± 0,02 ч
Продукты распада135CS
Вращение3/2+
Избыточная энергия−86413 ± 4 кэВ
Связующая энергия8398,476 ± 0,028 кэВ
Режимы распада
Режим распадаЭнергия распада (МэВ )
Бета-распад1.168
Изотопы ксенона
Полная таблица нуклидов

Ксенон-135 (135Xe) является неустойчивым изотоп из ксенон с период полураспада около 9,2 часа. 135Xe - это продукт деления из уран и это самый мощный из известных нейтрон -поглощающий ядерный яд (2 миллиона сараи;[1] до 3 миллионов сараи[2] в условиях реактора[3]), что существенно влияет на ядерного реактора операция. Максимальный выход ксенона-135 от деления составляет 6,3%, хотя большая часть этого продукта получается при делении. теллур-135 и йод-135.

135Влияние Xe на перезапуск реактора

Основная статья: Йодная яма

В типичном ядерном реакторе, работающем на уран-235, Наличие 135Xe как продукт деления создает проблемы для разработчиков и операторов из-за его большого размера. нейтронное сечение для впитывания. Поскольку поглощение нейтронов может пагубно повлиять на способность ядерного реактора увеличивать мощность, реакторы спроектированы так, чтобы уменьшить этот эффект; Операторы обучены правильно предвидеть эти переходные процессы и реагировать на них.

В периоды стабильной работы при постоянной нейтронный поток уровень, 135Концентрация Xe увеличивается до равновесие значение для этой мощности реактора примерно через 40-50 часов. Когда мощность реактора увеличивается, 135Концентрация Xe первоначально снижается, поскольку выгорание увеличивается на новом более высоком уровне мощности. Потому что 95% 135Производство Xe происходит от распада йод-135 с периодом полураспада 6,57 часов, производство 135Xe остается постоянным; на данный момент 135Концентрация Xe достигает минимума. Затем концентрация увеличивается до нового равновесного уровня (точнее, уровня устойчивого состояния) для нового уровня мощности примерно за 40-50 часов. В течение первых 4-6 часов после изменения мощности величина и скорость изменения концентрации зависят от начального уровня мощности и от величины изменения уровня мощности; то 135Изменение концентрации Xe больше при большем изменении уровня мощности. При уменьшении мощности реактора процесс обратный.[4]

Йод-135 представляет собой продукт деления урана с выходом около 6% (считая также йод-135, образовавшийся почти сразу при распаде теллура-135, образующегося при делении).[5] Эта 135Я распадается с периодом полураспада 6,57 часа до 135Xe. Таким образом, в работающем ядерном реакторе 135Xe производится постоянно. 135Xe имеет очень большое поперечное сечение поглощения нейтронов, поэтому в среде с высоким потоком нейтронов активной зоны ядерного реактора 135Xe вскоре поглощает нейтрон и становится почти стабильным 136Xe. Таким образом, примерно через 50 часов 135Концентрация Xe достигает равновесия, когда его создание 135Распад I уравновешивается его разрушением за счет поглощения нейтронов.

Когда мощность реактора снижается или неисправность за счет введения поглощающих нейтроны регулирующих стержней поток нейтронов в реакторе уменьшается, и равновесие сначала смещается в сторону более высокого 135Концентрация Xe. В 135Пик концентрации Хе составляет примерно 11,1 часа после снижения мощности реактора. поскольку 135Период полураспада Xe составляет 9,2 часа, 135Концентрация Xe постепенно снижается до низкого уровня в течение 72 часов.

Временно высокий уровень 135Хе с его высоким сечением поглощения нейтронов затрудняет перезапуск реактора на несколько часов. Поглощающая нейтроны 135Xe действует как стержень управления, уменьшая реактивность. Невозможность запуска реактора из-за воздействия 135Xe иногда называют запуском без ксенона, и говорят, что реактор "отравлен".[6] Период времени, в течение которого реактор не может преодолеть влияние 135Xe называют «мертвым временем ксенона».

Если достаточно реактивность есть контрольные полномочия, реактор можно перезапустить, но ксенон перегорел преходящий необходимо тщательно управлять. Поскольку стержни управления извлекаются и критичность достигается, нейтронный поток увеличивает на много порядков и 135Xe начинает поглощать нейтроны и превращаться в 136Xe. Реактор сжигает ядерный яд. Когда это происходит, реактивность и поток нейтронов увеличиваются, и регулирующие стержни необходимо постепенно повторно вставлять, чтобы противодействовать потере поглощения нейтронов 135Xe. В противном случае поток нейтронов в реакторе будет продолжать увеличиваться, сжигая еще больше ксенонового яда на пути к безудержная критичность. Постоянная времени для этого переходного процесса выгорания зависит от конструкции реактора, истории уровня мощности реактора за последние несколько дней и новой настройки мощности. Для типичного увеличения мощности от 50% до 100% мощности, 135Концентрация Xe падает примерно на 3 часа.[7]

Неспособность предвидеть отравление ксеноном и управлять им, а также должным образом компенсировать последующее выгорание, была фактором, способствующим Чернобыльская катастрофа; во время выбега на более низкую мощность сочетание ошибки оператора и отравления ксеноном привело к падению тепловой мощности реактора до уровня, близкого к остановке. В результате усилий экипажа по восстановлению мощности, в том числе ручного извлечения управляющих стержней, не находящихся под автоматическим управлением компьютера SKALA, реактор оказался в крайне опасной конфигурации. Неудачный КАТИСЬ Процедура, в результате которой регулирующие стержни заклинило на уровне, который фактически увеличил реактивность, вызвал тепловой переходный процесс и паровой взрыв, который разорвал реактор на части.

Реакторы, использующие непрерывную переработку, как и многие другие реактор с расплавленной солью проекты могут быть в состоянии извлечь 135Xe из топлива и избежать этих эффектов. В реакторах на жидком топливе не может образоваться неоднородность ксенона, поскольку топливо свободно перемешивается. Так же Эксперимент в реакторе с расплавленной солью продемонстрировали, что распыление жидкого топлива в виде капель через газовое пространство во время рециркуляции может позволить ксенон и криптон оставить топливные соли. Однако удаление ксенона-135 из нейтронного облучения также заставляет реактор производить больше долгоживущий продукт деления цезий-135.

Продукты распада и захвата

А 135Атом Xe, который не захватить нейтрон подвергается бета-распад к 135CS, один из 7 долгоживущие продукты деления, а 135Xe, который захватывает нейтрон, становится почти стабильным 136Xe.

Вероятность захвата нейтрона перед распадом зависит от потока нейтронов, который сам зависит от типа реактора, обогащения топлива и уровня мощности; и 135Cs / 136Отношение Xe переключает свою преобладающую ветвь очень близко к обычным условиям реактора. 135Хе во время стационарной работы реактора, улавливающего нейтрон, включает 90%,[8] 39%–91%[9] и «практически все».[10]Например, в (несколько высоком) потоке нейтронов 1014 п · см−2· С−1, сечение ксенона σ = 2.65×10−18 см2 (2.65×106 сарай) приведет к вероятности захвата 2.65×10−4 s−1, что соответствует периоду полураспада около одного часа. По сравнению с периодом полураспада 9,17 часа 135Xe, это отношение почти десять к одному означает, что в таких условиях практически все 135Xe захватит нейтрон перед распадом. Но если уменьшить поток нейтронов до одной десятой этого значения, как в КАНДУ реакторов соотношение будет 50-50, а половина 135Xe будет преобразован в 135Cs до захвата нейтрона.

136Хе от захвата нейтронов оказывается частью окончательного стабильного деления ксенон который также включает 136Xe, 134Xe, 132Xe и 131Xe производится делением и бета-распад а не нейтронный захват.

Ядра 133Xe, 137Xe и 135Xe, которые не захватили нейтрон все бета-распад к изотопы цезия. Деление производит 133Xe, 137Xe и 135Xe примерно в равных количествах, но после захвата нейтронов цезий при делении содержит более стабильные 133Cs (который, однако, может стать 134CS дальше нейтронная активация ) и высокорадиоактивный 137CS чем 135CS.

Пространственные колебания ксенона

Большие тепловые реакторы с низкой магнитной связью между областями могут испытывать пространственные колебания мощности.[11] из-за неравномерного присутствия ксенона-135. Вызванные ксеноном пространственные колебания мощности возникают в результате быстрых возмущений в распределении мощности, которые приводят к смещению распределения ксенона и йода по фазе с нарушенным распределением мощности. Это приводит к сдвигу в распределении ксенона и йода, что приводит к изменению распределения мощности в направлении, противоположном первоначальному возмущению.

Мгновенная скорость производства ксенона-135 зависит от концентрации йода-135 и, следовательно, от истории локального нейтронного потока. С другой стороны, скорость разрушения ксенона-135 зависит от мгновенного локального потока нейтронов.

Комбинация отложенной генерации и высокого сечения захвата нейтронов оказывает разнообразное влияние на работу ядерного реактора. Механизм описан в следующих четырех шагах.

  1. Первоначальное отсутствие симметрии (например, осевой симметрии в случае осевых колебаний) в распределении мощности активной зоны (например, в результате значительного перемещения регулирующих стержней) вызывает дисбаланс скоростей деления в активной зоне реактора, и, следовательно, в накоплении йода-135 и абсорбции ксенона-135.
  2. В области с высоким потоком выгорание ксенона-135 позволяет потоку еще больше увеличиваться, в то время как в области с низким потоком увеличение ксенона-135 вызывает дальнейшее снижение потока. Концентрация йода увеличивается при большом потоке и уменьшается при низком потоке. Этот сдвиг в распределении ксенона таков, что увеличивает (уменьшает) свойства размножения области, в которой поток увеличился (уменьшился), тем самым увеличивая наклон потока.
  3. Как только уровни йода-135 увеличиваются в достаточной степени, распад на ксенон меняет исходную ситуацию. В этой области поток уменьшается, а мощность бывшей области с низким потоком увеличивается.
  4. Повторение этих схем может привести к колебаниям ксенона, перемещающимся вокруг активной зоны с периодами порядка 24 часов.

При небольшом изменении общего уровня мощности эти колебания могут значительно изменить местные уровни мощности. Это колебание может остаться незамеченным и достичь опасных локальных уровней магнитного потока, если контролировать только общую мощность сердечника. Таким образом, в большинстве реакторов типа PWR используются тандемные детекторы нейтронных нейтронов с диапазоном мощности для раздельного контроля верхней и нижней половин активной зоны.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html
  2. ^ https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html
  3. ^ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/xenon.html
  4. ^ Справочник Министерства энергетики США по основам ядерной физики и теории реакторов, том 2 (PDF). Министерство энергетики США. Январь 1993. Архивировано из оригинал (PDF) 14 февраля 2013 г.С. 35–42.
  5. ^ Справочник DOE по основам: Ядерная физика и теория реакторов, том 2 (PDF). Министерство энергетики США. Январь 1993. Архивировано из оригинал (PDF) 14 февраля 2013 г., п. 35.
  6. ^ Крист, Дж. Э. «Ксенон - яд, являющийся продуктом деления» (PDF). Candu.org. Архивировано из оригинал (PDF) 3 февраля 2007 г.. Получено 2 ноября 2011.
  7. ^ График переходных процессов распада ксенона В архиве 24 июня 2018 г. Wayback Machine
  8. ^ Основы CANDU: 20 Ксенон: яд продукта деления В архиве 23 июля 2011 г. Wayback Machine
  9. ^ Использование изотопного состава Xe и Kr в исследованиях выделения газа деления В архиве 19 октября 2013 г. Wayback Machine
  10. ^ Роггенкамп, Пол Л. «Влияние ксенона-135 на работу реактора» (PDF). Westinghouse Savannah River Company. Получено 18 октября 2013.
  11. ^ «Ксенон-135». www.nuclear-power.net. Получено 2017-09-19. и "Ксенон-135 Колебания".

дальнейшее чтение