ksenon-135 - Xenon-135
| Ogólny | |
|---|---|
| Symbol | 135 Xe |
| Nazwy | ksenon-135, Xe-135 |
| Protony | 54 |
| Neutrony | 81 |
| Dane nuklidów | |
| Naturalna obfitość | syn |
| Pół życia | 9,14 ± 0,02 godz |
| Produkty rozpadu | 135 Cs |
| Kręcić się | 3/2+ |
| Nadmiar energii | -86413 ± 4 keV |
| Energia wiązania | 8398.476 ± 0,028 keV |
| Tryby zaniku | |
| Tryb zaniku | Energia rozpadu ( MeV ) |
| Rozpad beta | 1.168 |
|
Izotopy ksenonu Kompletna tabela nuklidów | |
Ksenon-135 ( 135 Xe ) jest niestabilny izotop z ksenonu z okresem półtrwania około 9,2 godziny. 135 XE produkt rozszczepienia z uranu i jest najsilniejszym znanym neutronów absorbująca trucizny jądrowego (2 miliony BARNS ; 3 milionów obór w warunkach reaktora), przy czym znaczący wpływ na reaktora jądrowego pracy. Ostateczna wydajność ksenonu-135 z rozszczepienia wynosi 6,3%, chociaż większość pochodzi z telluru-135 i jodu-135 produkowanego w wyniku rozszczepienia .
135 Efekty Xe przy ponownym uruchomieniu reaktora
W typowym reaktorze jądrowym zasilanym paliwem uranu-235 obecność 135 Xe jako produktu rozszczepienia nastręcza projektantom i operatorom problemy ze względu na duży przekrój neutronów do absorpcji. Ponieważ pochłanianie neutronów może niekorzystnie wpływać na zdolność reaktora jądrowego do zwiększania mocy, reaktory są zaprojektowane tak, aby złagodzić ten efekt; operatorzy są szkoleni, aby odpowiednio przewidywać i reagować na te stany nieustalone. W rzeczywistości, podczas II wojny światowej, Enrico Fermi podejrzewał działanie Xe-135 i zgodnie z radą Emilio Segrè skontaktował się ze swoim uczniem Chien-Shiung Wu . Wkrótce opublikowany artykuł Wu na temat Xe-135 całkowicie potwierdził przypuszczenia Fermiego, że pochłonął on neutrony i zakłócił reaktor B, który był używany w ich projekcie.
W okresach pracy w stanie ustalonym przy stałym poziomie strumienia neutronów stężenie 135 Xe wzrasta do wartości równowagi dla tej mocy reaktora w ciągu około 40 do 50 godzin. Gdy moc reaktora jest zwiększona, stężenie 135 Xe początkowo spada, ponieważ wypalanie wzrasta na nowym wyższym poziomie mocy. Ponieważ 95% 135 produkcji XE z rozkładem jodu-135 , który ma 6,57-godzinny okres półtrwania, produkcja 135 Xe pozostaje stała; w tym momencie stężenie 135 Xe osiąga minimum. Stężenie wzrasta następnie do nowego poziomu równowagi (a dokładniej poziomu stanu ustalonego) dla nowego poziomu mocy w ciągu około 40 do 50 godzin. Podczas początkowych 4 do 6 godzin po zmianie mocy, wielkość i szybkość zmiany stężenia zależy od początkowego poziomu mocy i od wielkości zmiany poziomu mocy; 135 zmiany stężenia Xe jest większy dla większych zmian poziomu mocy. Gdy moc reaktora jest zmniejszona, proces ulega odwróceniu.
Jod-135 jest produktem rozszczepienia uranu z wydajnością około 6% (uwzględniając również jod-135 wytwarzany niemal natychmiast z rozpadu telluru-135 powstałego w wyniku rozszczepienia). Ten 135 I rozpada się z 6,57 godzinnym okresem półtrwania do 135 Xe. Tak więc w działającym reaktorze jądrowym 135 Xe jest stale produkowany. 135 Xe ma bardzo duży przekrój absorpcji neutronów, więc w środowisku o wysokim strumieniu neutronów rdzenia reaktora jądrowego 135 Xe wkrótce pochłania neutron i staje się prawie stabilnym 136 Xe. Tak więc, w ciągu około 50 godzin, 135 osiąga stężenie Xe równowagi, w którym jego utworzeniu przez 135 I rozpadu jest równoważone zniszczeniem przez absorpcję neutronów.
Gdy moc reaktora jest zmniejszana lub wyłączana przez wstawienie prętów sterujących pochłaniających neutrony, strumień neutronów w reaktorze jest zmniejszony i równowaga przesuwa się początkowo w kierunku wyższego stężenia 135 Xe. Stężenie 135 Xe osiąga szczyt około 11,1 godziny po zmniejszeniu mocy reaktora. Ponieważ 135 Xe ma okres półtrwania 9,2 godziny, stężenie 135 Xe stopniowo spada z powrotem do niskich poziomów w ciągu 72 godzin.
Chwilowo wysoki poziom 135 Xe o wysokim przekroju absorpcji neutronów utrudnia ponowne uruchomienie reaktora na kilka godzin. Pochłaniający neutrony 135 Xe działa jak pręt kontrolny, zmniejszając reaktywność. Niemożność uruchomienia reaktora z powodu działania 135 Xe jest czasami określana jako rozruch bez ksenonu, a reaktor mówi się, że jest „zatruty”. Okres, w którym reaktor nie jest w stanie zniwelować skutków 135 Xe, nazywany jest „czasem martwym ksenonów”.
W przypadku braku wystarczającej reaktywność organ kontroli jest dostępna, reaktor może być wznowiona, ale ksenon burn-out przejściowy musi być starannie zarządzany. Ponieważ pręty regulacyjne są wyciągane i krytyczności osiągnięciu strumień neutronów zwiększa o kilka rzędów wielkości, a 135 Xe zaczyna absorbować neutronów i transmutacji do 136 Xe. Reaktor wypala truciznę nuklearną. Gdy to się dzieje, reaktywność i strumień neutronów wzrasta, a pręty kontrolne muszą być stopniowo wprowadzane ponownie, aby przeciwdziałać utracie absorpcji neutronów przez 135 Xe. W przeciwnym razie strumień neutronów w reaktorze będzie nadal rósł, spalając jeszcze więcej trucizny ksenonowej, na drodze do niekontrolowanej krytyczności . Stała czasowa dla tego stanu przejściowego wypalania zależy od konstrukcji reaktora, historii poziomu mocy reaktora w ciągu ostatnich kilku dni oraz nowego ustawienia mocy. Dla typowego podwyższenia z 50% mocy do 100% mocy, stężenie 135 Xe spada na około 3 godziny.
Zatrucie ksenonem było czynnikiem przyczyniającym się do katastrofy w Czarnobylu ; podczas dobiegu do niższej mocy połączenie błędu operatora i zatrucia ksenonem spowodowało spadek mocy cieplnej reaktora do poziomu bliskiego wyłączeniu. Wynikające z tego wysiłki załogi mające na celu przywrócenie zasilania umieściły reaktor w wysoce niebezpiecznej konfiguracji. Usterka w systemie SCRAM wprowadziła dodatnią reaktywność, powodując stan przejściowy i wybuch pary, który rozerwał reaktor.
Reaktory wykorzystujące ciągłe przetwarzanie, takie jak wiele konstrukcji reaktorów ze stopionymi solami, mogą być w stanie wydobyć 135 Xe z paliwa i uniknąć tych efektów. Reaktory na paliwo płynne nie mogą powodować niejednorodności ksenonu, ponieważ paliwo może się swobodnie mieszać. Również Eksperyment stopionej soli reaktora wykazały, że rozpylanie cieczy w postaci kropelek paliwa poprzez przestrzeni gazowej podczas recyrkulacji może pozwolić ksenon i krypton opuścić sole paliwa. Jednak usunięcie ksenonu-135 z ekspozycji na neutrony powoduje również, że reaktor wytwarza więcej długożyciowego produktu rozszczepienia, cezu-135 .
Produkty rozpadu i wychwytywania
135 Xe atom, który nie wychwytywania neutronu ulega rozpadu beta do 135 Cs , jeden z 7 długotrwałych produktów rozszczepienia , podczas gdy 135 Xe, że wychwytuje neutron staje się prawie stabilne 136 XE.
Prawdopodobieństwo wychwycenia neutronu przed rozpadem zależy od strumienia neutronów, który sam w sobie zależy od rodzaju reaktora, wzbogacenia paliwa i poziomu mocy; a stosunek 135 Cs / 136 Xe przełącza jego dominującą gałąź bardzo blisko zwykłych warunków reaktora. Szacunkowe proporcje 135 Xe podczas pracy reaktora w stanie ustalonym, które wychwytują neutron, obejmują 90%, 39%-91% i „zasadniczo wszystko”. Na przykład, w (nieco wysokim) strumieniu neutronów wynoszącym 10 14 n·cm -2 · s -1 , przekrój poprzeczny ksenonu σ =2,65 x 10 -18 cm 2 (2,65 × 10 6 stodoła) prowadzi do prawdopodobieństwa schwytania2,65 × 10 -4 s -1 , co odpowiada okresowi półtrwania około jednej godziny. W porównaniu z 9,17-godzinnym okresem półtrwania 135 Xe, ten stosunek prawie dziesięć do jednego oznacza, że w takich warunkach zasadniczo wszystkie 135 Xe wychwytują neutron przed rozpadem. Ale jeśli strumień neutronów zostanie obniżony do jednej dziesiątej tej wartości, jak w reaktorach CANDU , stosunek wyniesie 50-50, a połowa 135 Xe zostanie przetworzona na 135 Cs przed wychwytywaniem neutronów.
136 Xe z wychwytywania neutronów staje się częścią ostatecznego stabilnego ksenonu rozszczepialnego, który obejmuje również 136 Xe, 134 Xe, 132 Xe i 131 Xe wytwarzany raczej w wyniku rozszczepienia i rozpadu beta niż wychwytywania neutronów.
Jądra 133 Xe, 137 Xe i 135 Xe, które nie wychwyciły neutronu, rozpadły się na izotopy cezu . Rozszczepienie wytwarza 133 Xe, 137 Xe i 135 Xe w mniej więcej równych ilościach, ale po wychwytywaniu neutronów rozszczepiony cez zawiera bardziej stabilny 133 Cs (który jednak może stać się 134 Cs przy dalszej aktywacji neutronów ) i wysoce radioaktywny 137 Cs niż 135 Cs .
Przestrzenne oscylacje ksenonu
Duże reaktory cieplne ze sprzężeniem niskostrumieniowym między regionami mogą doświadczać przestrzennych oscylacji mocy z powodu nierównomiernej obecności ksenonu-135. Przestrzenne oscylacje mocy wywołane przez ksenon występują w wyniku szybkich zakłóceń w dystrybucji mocy, które powodują, że dystrybucja ksenonu i jodu jest przesunięta w fazie z zaburzonym rozkładem mocy. Powoduje to zmianę rozkładu ksenonu i jodu, co powoduje zmianę rozkładu mocy w kierunku przeciwnym do początkowego zaburzenia.
Chwilowa szybkość produkcji ksenonu-135 zależy od stężenia jodu-135, a zatem od lokalnej historii strumienia neutronów. Z drugiej strony szybkość niszczenia ksenonu-135 zależy od chwilowego lokalnego strumienia neutronów.
Połączenie opóźnionej generacji i wysokiego przekroju wychwytywania neutronów ma różnorodny wpływ na działanie reaktora jądrowego. Mechanizm jest opisany w następujących czterech krokach.
- Początkowy brak symetrii (np. symetrii osiowej, w przypadku oscylacji osiowych) w rozkładzie mocy rdzenia (np. w wyniku znacznego ruchu prętów regulacyjnych) powoduje nierównowagę szybkości rozszczepiania w rdzeniu reaktora, a co za tym idzie, w gromadzeniu się jodu-135 i absorpcji ksenonu-135.
- W regionie o wysokim strumieniu wypalenie ksenonu-135 umożliwia dalszy wzrost strumienia, podczas gdy w regionie o niskim strumieniu wzrost ksenonu-135 powoduje dalsze zmniejszenie strumienia. Stężenie jodu wzrasta, gdy strumień jest wysoki i spada, gdy strumień jest niski. To przesunięcie w rozkładzie ksenonu jest takie, że zwiększa (zmniejsza) właściwości zwielokrotniania obszaru, w którym strumień zwiększył się (zmniejszył), zwiększając w ten sposób nachylenie strumienia.
- Gdy tylko poziom jodu-135 wystarczająco wzrośnie, rozpad do ksenonu odwraca sytuację początkową. Strumień zmniejsza się w tym obszarze, a dawny region o niskim strumieniu zwiększa moc.
- Powtarzanie tych wzorców może prowadzić do oscylacji ksenonu poruszających się wokół rdzenia z okresami rzędu około 24 godzin.
Przy niewielkiej zmianie ogólnego poziomu mocy oscylacje te mogą znacząco zmienić lokalne poziomy mocy. Ta oscylacja może pozostać niezauważona i osiągnąć niebezpieczne lokalne poziomy strumienia, jeśli monitorowana jest tylko całkowita moc rdzenia. Dlatego większość PWR wykorzystuje tandemowe detektory neutronów excore o zakresie mocy do oddzielnego monitorowania górnej i dolnej połowy rdzenia.