3. Изменение изотопического состава ядерного горючего

Причины изменения состава горючего:

1. выгорание топлива из-за деления и радиоактивного захвата;

2. возникновение осколков деления. При этом особенно важны ядра-осколки, имеющие большое сечение захвата (коротко- и долгоживущие, стабильные изотопы).

Поглощение нейтронов короткоживущими изотопами называется отравлением, а долгоживущими - шлакованием.

4. Отравление реактора продуктами деления

Отравление обусловлено практически одним радиоактивным изотопом Xe¹³⁵(_a=2,710⁶ барн). Это сечение очень велико, т.к. оно соответствует линейному размеру 1.710^-9см., т.е. порядка размеров атома, а не ядра. Выход Xe¹³⁵ около ~6% и также велик. Ближайший короткоживущий изотоп, влияющий на работу реактора - Xe¹³³(_a=200 барк).5% Xe¹³⁵ образуется непосредственно при делении, а 95%-в последующих превращениях:

Можно считать, что весь Xe¹³⁵ образуется в результате такой реакции.

Найдем стационарную плотность ядер Xe¹³⁵, если реактор долго работал на постоянной мощности. Ядра Xe¹³⁵ рождаются в результате деления U²³⁵(скорость рождения пропорциональна потоку нейтронов), а уничтожаются в результате распада и при поглощении нейтрона ядром Xe¹³⁵(считаем, что Xe¹³⁶ имеет малое сечение поглощения). И захват нейтронов, и распад ядер Xe¹³⁵ пропорциональны плотности ядер Xe¹³⁵. Значит, при запуске ядерного реактора и дальнейшей его работе происходит постепенное накопление ядер Xe¹³⁵ до тех пор, пока скорости рождения и уничтожения их не выровняются. Плотность Xe¹³⁵, при которой это произойдет, мы и будем искать.

Скорость генерации

Скорость уничтожения

Отсюда стационарная плотность равна

При достаточно большом потоке , получим

Найдем время накопления Xe¹³⁵ до стационарной плотности

при условии

Величина отравления

^где _a5-сечение поглощения в U²³⁵

В соответствии с этим определением

Если подставить численные значения констант, получим

Видно, что при достаточно больших 

Зависимость q()

Рис. 18.3.1

Величина отравления имеет порядок величины реактивности, которую нужно ввести в реактор, чтобы компенсировать поглощение нейтронов в Xe¹³⁵. Покажем, например, что q_отр~ в случае, когда горючее состоит только из U²³⁵.

Наличие будет влиять на M² через L² и на коэффициент теплового использования f. Обычно L²<<, поэтому влиянием поглощения на M² можно пренебречь.

Пусть вначале в реакторе отсутствует Xe¹³⁵, тогда f=f₀. При работе возникает Xe¹³⁵ и

Реактивность, обусловленная Xe¹³⁵, равна:

Коэффициент теплового использования порядка 1. q_отр<<1, пренебрегаем. Реактивность, соответствующая появлению ядер Хе в реакторе  ~ q_отр.

Для компенсации величины отравления нужно ввести в реактор дополнительную реактивность. Коэффициент отравления зависит от потока нейтронов, который распределён неравномерно. В строгом расчёте реактора это надо учитывать.

Для многих ядер в области тепловой энергии нейтронов зависимость сечения взаимодействия от энергии пропорциональна 1/v.

В случае срабатывания аварийной защиты происходит остановка реактора. Вопросы о новом пуске реактора необходимо решать в течение первого часа после остановки, иначе реактор нескоро можно будет запустить вновь из-за отравления.

Рис. 18.3.2.