Тема 18. Отравление реактора ксеноном

Отравление реактора - это процесс накопления в нём короткоживущих продуктов деления, участвующих в непроизводительном захвате нейтронов и тем самым снижающих запас реактивности реактора при их образовании и, наоборот, высвобождающих его при их b-распаде.

Особенностями процесса отравления по сравнению с другими ранее рассмотренными процессами, приводящими к потерям запаса реактивности, является то, что:

Процесс отравления, как принято предполагать, вызывается накоплением только одного b-активного продукта деления - ксенона-135, - который характеризуется величиной стандартного микросечения поглощения s_a0^Xe = 2720000 барн, величинами удельного выхода g_Xe = 0.003 и периода полураспада Т_1/2^Xe = 9.2 часа (или величиной постоянной b-распада l_Xe = 2.09 ^. 10 ^-5 c^-1).

1. Отравление - протекает существенно быстрее, чем процессы выгорания, шлакования и воспроизводства. Процессы отравления и переотравлений реактора ксеноном длятся не более трёх суток.

2. В отличие от указанных выше процессов, отравление - процесс обратимый: при возрастании концентрации ксенона-135 реактор отравляется (и теряет запас реактивности), при снижении концентрации ксенона - он разотравляется (что приводит к высвобождению положительной реактивности).

3. Если посмотреть на совмещённый график энергетических спектров для теплового, промежуточного и быстрого реакторов вместе с зависимостью сечения поглощения ¹³⁵Xe от энергии нейтронов Е (рис.19.1), то станет ясно, что отравление ксеноном существенно для тепловых реакторов, малосущественно - для промежуточных и несущественно - для быстрых реакторов.

Рис.19.1. Различия в поглощении нейтронов ксеноном-135 в тепловом, быстром и промежуточном реакторах.

Количественными мерами отравления реактора ксеноном, подобно мерам оценки рассмотренных ранее процессов, являются:

4. относительная доля поглощаемых ксеноном нейтронов, равная отношению скоростей поглощения тепловых нейтронов ядрами ксенона и ядрами ²³⁵U:

q_Xe(t) = s_a^Xe N_xe(t) Ф / s_a⁵ N₅ Ф = (s_a^Xe/ s_a⁵ N₅) N_xe(t). ( 19.1)

5. потери реактивности от отравления ксеноном, связанные с величиной доли поглощения нейтронов ксеноном (в любой момент времени) зависимостью:

r_Xe (t) = - q_Xe(t) q = - (s_a^Xe q /s_a⁵ N₅) N_xe(t), (19.2)

где q - коэффициент использования тепловых нейтронов в неотравленном реакторе.

6. Схема образования и убыли ¹³⁵Xe и уравнения отравления реактора ксеноном

¹³⁵Xe образуется в реакторе двумя путями: непосредственно как осколок деления ²³⁵U с известным удельным выходом и как дочерний продукт b-распада йода-135, который сам является продуктом b-распада теллура-135, образующемуся при делении с довольно большим удельным выходом (g_Те.= 0.06). Исчезает ¹³⁵Xe также двумя путями: в результате поглощения тепловых нейтронов (иначе: за счёт расстрела нейтронами) и в результате его b-распада. При поглощении ядром ¹³⁵Xe на его месте образуется шлак третьей группы - ¹³⁶Xe с микросечением поглощения тепловых нейтронов s_а » 5 барн. При b-распаде ¹³⁵Xe образуется также шлак третьей группы - ¹³⁵Cs - с микросечением поглощения s_а » 6 барн.

Схематически наиболее важные процессы, приводящие к изменениям количества накапливаемого ксенона-135, выглядят так:

g = 0.003

_on¹ + ²³⁵U ¹³⁵Xe^* + _on¹ s_a0^Xe = 2720000 барн ¹³⁶Xe^*

g = 0.06 T_1/2= 6.7 ч T_1/2 = 9.2 ч

b b

g = 0.06

¹³⁵Te^{* 135}I ^* + _оn^{1 136}Ba ¹³⁵Cs^*

Т_1/2 » 1.4 мин

Рис.19.2. Схема образования и убыли йода и ксенона и её упрощение.

Красным цветом на схеме выделены некоторые коррекции её, к которым обычно прибегают для упрощения описания процессов отравления реактора. Суть первого упрощающего допущения состоит в том, что, поскольку период полураспада теллура-135 во много раз меньше периода полураспада йода-135, можно приближенно считать, что йод-135 является непосредственным осколком реакции деления с фиктивным удельным выходом, равным величине истинного удельного выхода теллура-135. (В самом деле, если период полураспада теллура столь мал, что он распадается практически сразу после своего образования, то без особого ущерба для точности можно считать, что непосредственным продуктом реакции деления является не теллур, а его дочерний продукт - йод-135).

Второе упрощение состоит в том, что из-за малости микросечения поглощения йода-135 убылью его вследствие поглощения пренебрегаем.

На основании такой упрощённой схемы дифференциальное уравнение скорости изменения концентрации ¹³⁵Xe запишется как разность двух скоростей прибыли и двух скоростей убыли его:

^{Скорости прибыли Xe Скорости убыли Xe}

dN_Xe/dt = g_Xe s_f⁵ N₅ Ф(t) + l_IN_I(t) - s_a^XeN_Xe(t) Ф(t) - l_XeN_Xe(t) (19.1.1)

_{как прямого как результат за счёт поглощения в результате его}

^{продукта деления распада йода тепловых нейтронов распада}

Полученное уравнение содержит две неизвестных функции (N_xeи N_I), а потому для получения однозначного решения оно должно быть дополнено ещё одним уравнением с независимо фигурирующей в нём концентрацией N_I(t). Скорость изменения концентрации ¹³⁵I является разницей скоростей образования ¹³⁵I (как непосредственного продукта деления) и убыли его (за счёт b-распада):

dN_I/dt = g_I s_f⁵ N₅ Ф(t) - l_I N_I(t) (19.1.2)

Полученная система двух дифференциальных уравнений (19.1.1)¸(19.1.2) называется системой дифференциальных уравнений отравления реактора ксеноном.