3.6. Отравление реактора ксеноном ( Хе-135 ).

Ксенон образуется в реакторе в результате радиоактив­ного распада I-135, а также за счет непосредственного вы­хода при делении U-235. Накопление Xe-135 за счет радиоак­тивного распада I-135 идет по следующей цепочке:

_{n,f   }

U²³⁵  Te¹³⁵  I¹³⁵  Xe¹³⁵  Cs ¹³⁵ где

_{p=5,6% 0,5 мин 6,7 ч 9,2 ч}

p = 5,6% - удельный выход Xe-135 как продукта радиоактив­ного распада.

Ввиду сравнительно малого периода полураспада теллура можно считать, что в процессе деления непосредственно об­разуется I-135.

Наряду с накоплением ядер Xe-135 в активной зоне реак­тора идут процессы, ведущие к его уменьшению: радиоактив­ный распад Xe-135 в Cs-135 и превращение в новый изотоп Xe-136 при радиационном поглощении нейтрона. Последний процесс называется выгоранием.

Характер отравления зависит от режима работы реактора. Поэтому принято подразделять отравление на стационарное при работе реактора на постоянной мощности и нестационар­ное при изменениях мощности.

3.6.1. Стационарное отравление Хе-135.

При работе реактора на стационарном уровне мощности в активной зоне устанавливается равновесная концентрация ядер I-135 и Xe-135 (т.е. скорости образования и убыли ядер I и Xe становятся равными). Равновесное отравление ксеноном наступает в течение 30 - 40 часов работы реактора на стационарном уровне мощности, хотя по истечении уже первых суток отравление приближается к равновесному значе­нию (см. рис. 4.9).

Количество ядер Xe-135, которое устанавливается через определенное время работы реактора, зависит от плотности потока нейтронов, а следовательно, от мощности, на которой работал реактор. Значит, стационарное отравление реактора ксеноном (_Xe^ст) зависит от мощности реактора. Максимальное значение стационарного отравления (для номинальной мощнос­ти) реактора ВВЭР-440 _Xe^ст ~2,5%. Зависимость стационарного отравления Xe-135 от тепловой мощности реактора ВВЭР-440 пред­ставлена на рис. 4.10.

3.6.2. Нестационарное отравление ксеноном.

При изменении мощности реактора с N₁ до N₂ динамическое равновесие между прибылью и убылью Xe нарушается. Это вы­зывает переходные процессы с изменением реактивности реак­тора. После остановки или снижения мощности происходит временное увеличение концентрации ксенона и соответствую­щее уменьшение запаса реактивности (_зап ), которое называет­ся йодной ямой. После увеличения мощности наблюдается вре­менное уменьшение концентрации Xe и соответствующее

увели­чение  .

На рис.4.11 и 4.12 в НФХ графически представлены процессы, обус­лавливающие нестационарное отравление Xe при изменении мощности.

а). После остановки реактора (рис.4.11) с номинального уровня мощности прекращаются рождение I и выгорание Xe. Накопившиеся к моменту остановки I и Xe продолжают распа­даться с Т₁ ==6,7 и Т₂ =9,2 соответственно. Но т.к. распад I фактически представляет собой рождение Xe, причем этот процесс идет быстрее, чем распад Xe, то концентрация Xe временно увели­чивается, то есть значение  уменьшается. Это объясняется тем, что в первое время скорость образования атомов Xe в результате распада иода соответствует прежнему более высо­кому уровню мощности, в то время как выгорание ксенона сразу следует новому меньшему значению потока. С течением времени I, образовавшийся на прежнем уровне мощности, в значительной степени распадается, и количество распадаю­щихся и выгорающих атомов Xe начинает преобладать под вновь образующимися - кривая изменения реактивности прохо­дит через минимум, и происходит рост до установления рав­новесной концентрации Xe. Максимальная разность реактив­ностей работающего и остановленного реактора, вызванная поглощением нейтронов ксеноном, называется глубиной йодной ямы _ия.

Если оставшийся запас реактивности при останове реак­тора меньше глубины йодной ямы, то в течение некоторого времени(пока _зап < _ия ) реактор невозможно вывести на мощ­ность. Это время вынужденной стоянки. Промежуток времени, в течение которого еще можно пустить реактор (_зап > _ия), на­зывают временем допустимой стоянки реактора. Промежуток времени, в течение которого запас реактивности будет мень­ше значения, которое было на момент останова РУ, называет­ся длительностью йодной ямы.

б). После снижения мощности имеет место йодная яма (см. рис.4.11), как и после остановки реактора, но глубина и длительность ее будут меньше. Из графиков видно, что чем меньше величина разгрузки РУ, тем меньше глубина и дли­тельность йодной ямы.

в). После перехода на большую мощность (см. рис.4.12) вследствие увеличения скорости выгорания Xe концентрация его уменьшается, а  соответственно увеличивается. Но этот процесс со временем замедляется, т.к. на большой мощности увеличивается выход I, а следовательно, и Xe. Через неко­торое время этот эффект начинает преобладать, и отравление увеличивается в соответствии с новой равновесной концент­рацией I и Xe.

Оперативному персоналу следует помнить, что при пере­ходе с одного уровня мощности на другой существует опас­ность простоя блока, длительность которого зависит от пер­воначального и конечного уровней мощности, способа ее сни­жения, положения регулирующей группы до сброса нагрузки. Простой можно исключить или по крайней мере сократить, предприняв своевременно меры к уменьшению концентрации борной кислоты в 1 контуре. Это осуществляется продувкой 1 контура с одновременной подпиткой его чистым конденсатом.

На рис.3.2 совмещены два графика: кривая подпитки (ввода положительной реактивности при подпитке чистым конденса­том) и кривая ввода отрицательной реактивности за счет от­равления активной зоны ксеноном. Из сравнения кривых двух видов видно, что после времени ₁ баланс реактивности стано­вится меньше нуля, и РУ невозможно вывести в критическое состояние, подняв все группы СУЗ в верхнее положение. Эта возможность наступает только по истечении времени, опреде­ляемого вторым пересечением кривых (₂).

В интервале времени ₁ - ₂ отрицательная реактивность за счет отравления Xe преобладает над положительной реактив­ностью, обусловленной введением чистого конденсата в теп­лоноситель. В момент времени ₂ реактор можно вывести в кри­тическое состояние, но на мощность N₁ реактор можно будет вывести лишь в момент времени , когда будет иметься запас реактивности _N на компенсацию мощностного эффекта. При плановом подъеме мощности, начинающемся с момента ₂ мощ­ности N₁ можно достигнуть раньше, так будет идти разотравление топливной загрузки. В момент ₃ подпитку чистым конден­сатом необходимо прекратить. На рис. 3.4 приведены предельные кривые. Считается, что запас реактивности регулирующей группы до сброса мощности отсутствует. Если же регулирую­щая группа АРК в стационарном режиме находилась на проме­жуточной высоте, можно дополнительно скомпенсировать отри­цательную реактивность, введенную Xe и равную эффективнос­ти группы. В этом случае соответствующая кривая подпитки идет выше на _Н (рис.3.5 ). Аналогично влияет температурный эффект, т.е., снизив среднюю температуру теплоносителя, можно дополнительно высвободить положительную реактив­ность.

Следует помнить, что температурный эффект увеличивает­ся с уменьшением концентрации борной кислоты (т.е. к концу кампании), поэтому его можно использовать для более быст­рого выхода из йодной ямы.

С другой стороны, уменьшение концентрации НзВОз в те­чение кампании снижает диапазон воздействия на реактив­ность с помощью системы подпитки-продувки 1 контура.

Существенное влияние на возможность маневрирования мощностью РУ при нестационарном ксеноновом отравлении ока­зывает расходная характеристика подпиточных насосов. Оче­видно, чем больше расход, тем выше будет на рис.3.4 кривая подпитки, а следовательно, меньше интервал времени , когда РУ невозможно вывести в критическое состояние. С этой точ­ки зрения, лучшей маневренностью обладают блоки 2-й очере­ди КАЭС(проект В-213) с расходом подпитки 1 контура до 50м³/час. Блоки 1-й очереди КАЭС(проект В-230) имеют под­питочные насосы 3х6м³/час.