Иодная яма
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), имеющего высокое сечение захвата тепловых нейтронов и образующегося в результате радиоактивного распада изотопа иода 135I (период полураспада 6,57 часа). Этот процесс приводит к вре́менному появлению значительной отрицательной реактивности, что, в свою очередь, делает невозможным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1-2 суток) после резкой разгрузки (снижения выходной мощности).
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. Работа реактора при ксеноновом отравлении стала одним из факторов, повлиявших на развитие Чернобыльской аварии. Для работы в маневровом режиме в комплексе с АЭС, чтобы избежать нежелательного изменения мощности реакторов, возможно строительство гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), как, например, на Южно-Украинском энергетическом комплексе.
Причины образования иодной ямы
[править | править код]В процессе деления ядер урана-235 (и других делящихся изотопов) во время работы ядерного реактора, среди прочих продуктов деления образуется радиоактивный изотоп иода 135I. В результате β-распада с периодом полураспада 6,58 часа[1] он превращается в изотоп ксенона 135Xe. Этот изотоп тоже радиоактивен, но его период полураспада больше — 9,14 часа[1]. 135Xe очень хорошо поглощает тепловые нейтроны, его сечение захвата составляет около 3 млн барн. 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− (19,0 с)[1] |
β− (6,58 ч)[1] |
β− (9,14 ч)[1] |
β− (1,33 млн лет)[1] |
или
| 135Xe | → | 136Xe |
| σ ≈ 2,6·106 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.
На рисунке показано изменение концентрации NXe(t) и реактивности ρ остановленного реактора, если плотность потока φ в работающем реакторе до остановки была 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 код]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 код]- Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. — М.: Атомиздат, 1960.
- Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. — 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.
Примечания
[править | править код]- ↑ 1 2 3 4 5 6 Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
