Иодная яма

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Ио́дная я́ма, или ксено́новая я́ма — состояние ядерного реактора после его выключения либо снижения его мощности, характеризующееся накоплением короткоживущего изотопа ксенона 135Xe (период полураспада 9,14 часа), образующегося в результате радиоактивного распада изотопа иода 135I (период полураспада 6,57 часа). Этот процесс приводит к временному появлению значительной отрицательной реактивности, что, в свою очередь, делает невозможным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1-2 суток).

Иодная яма — одно из проявлений так называемого «отравления» ядерного реактора, которое является одной из главных сложностей, делающих проблематичной работу АЭС в режиме постоянно меняющейся выходной мощности. Для работы в маневровом режиме в комплексе с АЭС возможно строительство ГАЭС, как, например, на Южно-Украинском энергетическом комплексе.

Причины образования иодной ямы[править | править вики-текст]

В процессе деления ядер урана, во время работы ядерного реактора, среди прочих продуктов деления образуется радиоактивный изотоп иода 135I. В результате β-распада с периодом полураспада 6,57 часа он превращается в изотоп ксенона 135Xe. Этот изотоп тоже радиоактивен, но его период полураспада больше — 9,14 часа. 135Xe очень хорошо поглощает нейтроны. Поглощённые им нейтроны, очевидно, не могут участвовать в цепной реакции деления урана, поэтому присутствие 135Xe снижает запас реактивности реактора. В реакторе, работающем на большой мощности, убыль 135Xe определяется его радиоактивным распадом и «выгоранием» в результате захвата нейтронов.

235U или 239Pu 135Te 135 I 135Xe 135Cs 135Ba
деление (6,4 %) β (19,2 с) β (6,53 ч) β (9,17 ч) β (2,6 млн. лет)

или

135Xe 136Xe
σ ≈ 3·106 барн
(для тепловых нейтронов)

После остановки реактора плотность потока нейтронов φ в активной зоне становится практически равной нулю. Изменение концентрации 135Xe в активной зоне остановленного реактора определяется разницей в скоростях β-распада 135I и 135Xe. За 1 с в 1 м³ ядерного топлива возникает λINI и распадается λXeNXe ядер 135Xe. Если активность 135I больше активности 135Xe (λINI > λXeNXe), то концентрация 135Xe в активной зоне растёт, и наоборот.

Равновесная концентрация иода-135 N0I в работающем реакторе пропорциональна величине φ, в то время как равновесная концентрация ксенона-135 N0Xe мало зависит от неё при φ > 1017 нейтр./(м²·с). Вследствие этого, при плотности потока φ > 1017 нейтр./(м²·с) величина N0I становится больше N0Xe. Так как постоянная распада λI > λXe, то в некотором интервале времени после остановки реактора λINI > λXeNXe. Поэтому концентрация 135Xe в остановленном реакторе вначале растёт до тех пор, пока активности 135I и 135Xe не станут равными (то есть до выполнения условия векового равновесия). После этого распад 135I уже не компенсирует убыль 135Xe, и концентрация последнего начинает уменьшаться вместе с иодом.

Зависимость концентрации 135Xe (1) и реактивности (2) после остановки реактора. (До остановки реактора плотность потока нейтронов была φ = 1018 нейтр./(м²·с).)

На рисунке показано изменение концентрации NXe(t) и реактивности ρ остановленного реактора, если плотность потока φ в работающем реакторе равна 1018 нейтр./(м²·с). Максимальное отравление, наступающее через 11 ч после остановки реактора, возрастает с увеличением плотности потока нейтронов φ.

Реактивность остановленного реактора сначала падает, достигая минимума при максимальной концентрации ксенона, а затем увеличивается. Кривая изменения реактивности имеет вид ямы, а увеличение отравления после остановки реактора связано с накоплением 135I в работающем реакторе. Поэтому действие отравления на реактивность остановленного реактора называют иодной ямой. Она не наблюдается в реакторах с плотностью потока нейтронов φ < 1017 нейтр./(м²·с).

Учёт иодной ямы при проектировании[править | править вики-текст]

При проектировании реактора учитывают эффект иодной ямы. Высокие значения удельной мощности требуют дополнительного увеличения загрузки ядерного топлива для компенсации иодной ямы. Иначе выключенный реактор будет невозможно вывести на мощность (особенно в конце кампании) в течение нескольких десятков часов, пока не произойдёт почти полный распад 135Xe в активной зоне.

Литература[править | править вики-текст]

  • Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. — М.: Атомиздат, 1960.
  • Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.