ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

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 sa0Xe = 2720000 барн, величинами удельного выхода gXe = 0.003 и периода полураспада Т1/2Xe = 9.2 часа (или величиной постоянной b-распада lXe = 2.09 . 10 -5 c-1).

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

 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).

  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.

 Т

 n(E)

 saXe(E)

 


 П

  Б 

 0 E

Рис.19.1. Различия в поглощении нейтронов ксеноном-135 в тепловом (Т), быстром (Б)

и промежуточном (П) реакторах.

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

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

  (19.1)

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

 , (19.2)

 где q - коэффициент использования тепловых нейтронов в неотравленном реакторе.

Схема образования и убыли 135Xe и дифференциальные уравнения

отравления реактора ксеноном

135Xe образуется в реакторе двумя путями: непосредственно как осколок деления 235U с известным удельным выходом (gХе = 0.003) и как дочерний продукт b-распада йода-135, который сам является продуктом b-распада теллура-135, образующегося при делении с довольно большим удельным выходом (gТе = 0.06). Исчезает 135Xe также двумя путями: в результате поглощения тепловых нейтронов (иначе: за счёт его расстрела тепловыми нейтронами или выгорания) и в результате его b-распада. При поглощении ядром 135Xe на его месте образуется шлак третьей группы - 136Xe с микросечением поглощения тепловых нейтронов sа » 5 барн. При b-распаде 135Xe образуется также слабый шлак третьей группы - 135Cs - с микросечением поглощения sа » 6 барн.

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

on1 + 235U g = 0.003 135Xe* + on1 sa0Xe = 2720000 барн 136Xe*

Штриховыми линиями 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 обычно пренебрегают.

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 

   (19.1.1) 

 как прямого как результат за счёт поглощения в результате его

 продукта деления распада йода тепловых нейтронов b-распада

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

  (19.1.2)

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

Ядерная энергетика Кинетика ядерного реактора