Нестационарное отравление реактора ксеноном

Ио́дная я́ма, или ксено́новая я́ма, — состояние ядерного реактора после его выключения либо снижения его мощности, характеризующееся накоплением короткоживущего изотопа ксенона 135Xe (период полураспада 9,2 часа), образующегося в результате радиоактивного распада изотопа иода 135I (период полураспада 6,6 часа). Этот процесс приводит к временному появлению значительной отрицательной реактивности, что, в свою очередь, делает невозможным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1-2 суток).

Иодная яма — одно из проявлений так называемого «отравления» ядерного реактора, которое является одной из главных сложностей, делающих проблематичной работу АЭС в режиме постоянно меняющейся выходной мощности.

Как вы уже, возможно, знаете, цепная реакция деления заключается в том, что один нейтрон делит ядро топлива, при делении появляется несколько нейтронов, из которых как минимум один должен также поучаствовать в делении, чтобы реакция продолжалась.

Ядро топлива, в которое влетел нейтрон - делится. Делится на 2 части, и делится обычно неравномерно. Элементы при делении появляются - самые разные. Как вариант - появится изотоп йода-135. Это нестабильный изотоп, путём испускания электрона он, с периодом полураспада в 6.6 часов, распадается в ксенон-135 . И вот тут у нас возникает проблема. Ксенон-135 является материалом, который очень хорошо поглощает нейтроны, а значит, при его накоплении в реакторе количество бесполезно поглощенных нейтронов увеличивается.

Притом, при работе реактора на постоянной мощности, нарабатывающийся ксенон постоянно расстреливается нейтронами, заставляя нас лишь компенсировать потерю реактивности (а значит, и мощности) небольшим подъемом стержней, образно говоря. Самая засада наступает при значительном снижении мощности или останове реактора, когда реактор уже поработал и наработал много йода и ксенона.

При этом нейтронный поток в реакторе снижается - а значит ксенон выгорает хуже и его становится больше. А вот йода у нас и так запасено с избытком, а значит и ксенона, получающегося из него, со временем станет еще больше. Спустя несколько часов ксенон станет поглощать слишком много нейтронов, стержни поднимать еще выше уже не получится и реактор придется заглушить.

Спасибо природе, что ксенон, в итоге, распадается сам, с периодом полураспада в 9.2 часа. Учитывая, что для более-менее полного распада паразита-ксенона требуется не менее 2-3 периодов полураспада, то реактор мы не сможем запустить около суток-двух. Всё это время реактор, отравленный ксеноном, будет находиться в йодной яме.

Еще у нас в реакторе при делении ядра урана может появиться прометий-149. Он тоже распадается, в самарий-149. И вот с самарием - засада. Он тоже поглощает нейтроны (но не так хорошо как ксенон, хоть на этом спасибо). Но! Самарий не распадается сам по себе. Он стабилен. На мощности, он, конечно, расстреливается нейтронами, но при останове реактора способен натворить делов.

Если реактор поработал, топливо уже подвыгорело и накопились различные шлаки, то при останове реактора накопление самария вполне способно "добить" реактор. Запустить его у нас уже не получится, пока мы не заменим топливо (или часть топлива) на свежее, что позволит нам скомпенсировать влияние накопившегося самария. Это явление называется прометиевый провал , или, что звучит интереснее, самариевая смерть реактора.

Зависимость концентрации 135Xe (1) и реактивности (2) после остановки реактора. (До остановки реактора плотность потока нейтронов была φ = 1018 нейтр./(м²·с).)

На рисунке показано изменение концентрации NXe(t) и реактивности ρ остановленного реактора, если плотность потока φ в работающем реакторе до остановки была равна 1018 нейтр./(м²·с). Максимальное отравление, наступающее через 11 ч после остановки реактора, возрастает с увеличением плотности потока нейтронов φ.

Реактивность остановленного реактора сначала падает, достигая минимума при максимальной концентрации ксенона, а затем увеличивается. Кривая изменения реактивности имеет вид ямы, а увеличение отравления после остановки реактора связано с накоплением 135I в работающем реакторе. Поэтому действие отравления на реактивность остановленного реактора называют иодной ямой. Она не наблюдается в реакторах с плотностью потока нейтронов φ < 1017 нейтр./(м²·с).

При проектировании реактора учитывают эффект иодной ямы. Высокие значения удельной мощности требуют дополнительного увеличения загрузки ядерного топлива для компенсации иодной ямы. Иначе выключенный реактор будет невозможно вывести на мощность (особенно в конце кампании) в течение нескольких десятков часов, пока не произойдёт почти полный распад 135Xe в активной зоне.