5.3. Отравление ксеноном

Ядерное отравляющее вещество - это изотоп с очень большим сечением поглощения тепловых нейтронов. Сечения поглощения тепловых нейтронов для U- 235 и U- 238, составляющие соответственно 680 и 2,7 барн, уже намного превышают таковые для водорода и кислорода теплоносителя (0,3 и 0,0003 барн соответственно). По сравнению с этими значениями сечения основных ядерных отравляющих веществ Хе-135 и Sm-149 весьма высоки (3 500 000 и 41 000 барн соответственно).

Хе-135 возникает при делении непосредственно лишь в незначительных количествах. Практически единственный основной путь возникновения проходит через промежуточную стадию образования продукта деления T_е-135, который очень быстро (Т_1/2= 18с) распадается на J-135. Этот изотоп йода распадается с периодом полураспада Т_1/2 = 6,6 часов на Хе-135. В начале работы реактора в нем нет ни одного из трех перечисленных изотопов. Затем во время работы реактора деления (через Т_е-135) приводят к накоплению J-135, который, однако, также подвержен деструкции из-за захвата нейтронов и своего радиоактивного распада. При постоянной мощности реактора примерно через 20 часов устанавливается равновесная концентрация J-135, зависящая от мощности (точнее, от нейтронного потока) (рис. 5.1). Если затем в какой-либо момент останавливают реактор, то изотоп распадается соответственно своему периоду полураспада, и примерно через 20 ч остается лишь незначительное количество J-135 (рис. 5.2).

Примечание: Здесь и далее принято допущение, что пуск и остановка реактора происходит скачкообразно мгновенно).Разумеется, в действительности это не так: оба процесса требуют времени (например 1 ч), однако, его можно считать намного меньшим, чем время, определяющее отравление ксеноном. Типичная скорость пуска "как можно скорее" составляет 1,7% номинальной мощности в минуту.

Накопление и уменьшение концентрации Хе-135 определяется теми же тремя процессами, что и у J-135:

• - прямым образованием в виде продукта деления (доля незначительна);

• - исчезновением за счет захвата нейтронов (очень большое сечение захвата);

• исчезновением за счет его радиоактивного распада (Т_1/2 = 9,1 ч) (рис, 5.1, рис. 5.2),

а также дополнительным образованием

- за счет распада J-135.

Рис. 5.1.Временная характеристика концентрации J 135 после пуска реактора

Р ис. 5.2.Временная характеристика концентрации J 535 после остановки реактора

После пуска и последующей работы реактора в стационарном режиме (при постоянном потоке) также устанавливается равновесная концентрация ксенона, однако примерно только через 40 ч, т.е. намного позже, чем у йода. Эта равновесная концентра также зависит от нейтронного потока. На рис. 5.3 показаны типичные кривые временной зависимости концентрации ксенона после пуска легководного реактора. Обычно эта величина указывается не в граммах ксенона на см³, а сразу как потеря реактивности  (отрицательная реактивность) для реактора (непосредственно или с умножением на 100 в процентах).

Это надо запомнить: Для типичного легководного энергетического

реактора равновесная концентрация ксенона при полной нагрузке составляет около - 0,03, т.е. минус 3 процента.

Рис.5.3. Накопление отравления ксеноном до достижения равновесия отравления при пуске с нуля до различных стационарных нагрузочных режимов

О бщая зависимость равновесной концентрации от нейтронного потока Ф показана на рис. 5,4. Ниже 10¹¹/(см² с) отравление ксеноном не играет практически никакой роли.  там пропорциональна Ф (по рисунку это не видно из-за малых размеров изображенной области и логарифмического масштаба абсциссы). Для очень больших значений Ф (примерно с 10¹⁵/(см² с) и выше) равновесная концентрация стремится к наивысшему значению =-0,05 (минус 5 процентов). Типичные легководные реакторы находятся в средней части этой кривой. Их равновесное отравление для различных ступеней нагрузки показано на рис. 5.5.

Рис. 5.4. Отравление ксеноном в равновесном состоянии для потока значений.

П осле остановки реактора исчезновение Хе-135 за счет захвата нейтронов невозможна; с другой стороны, он продолжает поступать за счет распада J-135: концентрация ксенона после остановки возрастает, достигая через несколько часов своего максимума (говорят о ксеноновом максимуме), который при соответственно большом потоке перед остановкой может значительно превышать равновесную концентрацию. Лишь после этого максимума начинает сильнее сказываться снижение концентрации J-135, которое также приводит к снижению концентрации ксенона и наконец вновь ведет к значению равновесия перед остановом и дальше вниз. На рис. 5.6 условно показана общая характеристика с необычно большим ксеноновым максимумом.

Рис. 5.5. Поглощение реактивности ксеноном в равновесном состоянии для типичных легководных реакторов

Здесь значение несколько выше значений на рис.5.3.

Ориентировочно = 3,2% для полной нагрузки (100%)

3 для 80%

2 для 25%

1 для 10% полной нагрузки

Рис. 5.6. Условное изображение ксенонового максимума.

На рис. 5.7 показаны характеристики отравления ксеноном, если после быстрой остановки реактора из полной нагрузки (равновесное отравление здесь =-0,03) выждать некоторое время и затем вновь как можно быстрее выйти на полную нагрузку. При пуске вновь происходит выгорание ксенона: кривые круто падают вниз.

Для энергетических реакторов, работающих при значительных потоках, ксеноновый максимум может принять намного более драматический характер. Уже при потоке, превышающем обычный (10¹³/см² с) в десять раз (равновесная концентрация =-0,045) максимум достигается примерно через 10 часов после быстрой остановки и имеет значение =-0,2 (по величине это примерно в 30 раз больше !). Отравление уменьшается ниже предыдущей равновесной концентрации лишь примерно через 35 часов. Так что повторный пуск после быстрой остановки в этом случае будет возможен не ранее, чем через сутки.

Формирование ксенонового максимума можно ослабить за счет соответственно медленного снижения мощности, растянув его на несколько часов.

В реакторах больших размеров с пространственно разделенными активной зоны А и В концентрация ксенона может вести себя по разному. Повышение мощности в А (например, выведением управляющих стержней), приводит к более интенсивному выгоранию там ксенона и таким образом способствует дополнительному повышению мощности в зоне А. Одновременно происходит более интенсивное отравление зоны В за счет уменьшения нейтронного потока (поскольку при постоянной общей мощности мощность в зоне В снижается), что приводит к дополнительному понижению мощности в зоне В. Процесс принимает обратный характер при переходе через ксеноновый максимум в зоне В. Все это явление называется ксеноновым колебанием. В реакторах с водяным охлаждением оно возникает лишь при типичных расширениях активной зоны порядка более 2 м.

На рис. 5.8 показано нарастание осевого ксенонового колебания. "Осевой" означает, что колебание происходит по (вертикальной) оси активной зоны: область А образует верхнюю, а область В - нижнюю половину активной зоны. На рис. 5.9 для установившегося состояния показаны характеристики нейтронного потока и концентрации ксенона.

Возникающие ксеноновые колебания могут приводить к нежелательно высоким локальным пикам мощности (при постоянной средней мощности реактора). Их нужно гасить сразу при их возникновении перемещением управляющих стержней.

Рис.5.7. Изменение отравления ксеноном после аварийного останова реактора с полной нагрузкой, при скачкообразном повторном пуске до полной мощности.

Р ис. 5.8. Нарастание осевого ксенонового колебания

Р ис. 5.9. Схема (осевого) ксенонового колебания (в установившемся состоянии)