Нестационарное отравление реактора. "Иодная яма". Ксеноновая неустойчивость в больших энергетических реакторах.
Среднее
микросечение захвата тепловых нейтронов
ксеноном-135 в типичных условиях современных
реакторов составляет
Сечением захвата иода можно пренебречь.
В «точечном» приближении уравнения для
накопления иода и ксенона имеют вид:
В
процессе работы реактора в результате
деления ядерного топлива образуется
много новых нуклидов – осколков деления
и продуктов их радиоактивного распада.
Под осколками деления обычно понимают
ядра, образовавшиеся непосредственно
в результате реакции деления. Такие
ядра, как правило, нестабильны, и в
результате 1-2 радиоактивных распадов,
а также возможных реакций с нейтронами,
образуют относительно стабильные
нуклиды, которые обычно называют
продуктами деления.
Некоторые из продуктов деления обладают большими значениями сечения захвата нейтронов, и присутствие в активной зоне таких нуклидов оказывает заметное влияние на реактивность реактора. Скорость накопления таких вредных поглотителей зависит от интенсивности процесса деления (фактически, от мощности реактора), а их убыль определяется, во-первых, скоростью их радиоактивного распада, а во-вторых, поглощением ими нейтронов, приводящих к реакции радиационного захвата и образованию новых нуклидов, имеющих, как правило, намного меньшее сечение поглощения.
По времени жизни нуклиды, образующиеся в ядерном реакторе, обычно разделяют по сравнению с характерным временем кампании реактора – 1-3 года. Соответственно, нуклиды со временем жизни, существенно меньшим кампании реактора, являются короткоживущими, со временем жизни, соразмерным или ненамного превышающим кампанию реактора, – среднеживущими, и со временем жизни, значительно превышающим кампанию реактора, – долгоживущими. 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, так как, в отличие от отравления, данный эффект влияния на реактивность в остановленном реакторе не пропадает.
Для систематизации задачи, рассмотрим 3 основных процесса:
- запуск реактора из неотравленного состояния;
- переход с одного уровня мощности на другой;
- быстрая остановка реактора, работавшего на мощности (эффект «йодной ямы»).
В результате, при характерных значениях потока нейтронов в тепловых реакторах порядка 5·1013-1014 нейтр/см2c концентрация ксенона при быстрой остановке реактора может возрасти в 1.5-3 раза по сравнению с равновесной для исходного уровня мощности реактора. Поскольку такой процесс на некоторое время приводит к появлению в реакторе существенной отрицательной реактивности, эффект получил название «йодной ямы».
При проектировании реактора должны по возможности исключаться предпосылки к неустойчивости или предусматриваться технические средства контроля и управления полем энерговыделения. В частности, в реакторах РБМК для этой цели предусмотрены укороченные стержни управления, вводимые снизу активной зоны. Аксиальная ксеноновая неустойчивость поля энерговыделения наблюдается также в реакторах ВВЭР-1000.
Период пространственных ксеноновых колебаний соразмерен времени жизни иода и ксенона и может составлять несколько часов или даже десятков часов.