nötron zehiri - Neutron poison

Nükleer reaktörler gibi uygulamalarda , bir nötron zehiri ( nötron soğurucu veya nükleer zehir olarak da adlandırılır ), büyük bir nötron absorpsiyon kesitine sahip bir maddedir . Bu tür uygulamalarda, nötronları soğurma , normalde istenmeyen bir etkidir. Bununla birlikte, zehirler olarak da adlandırılan nötron emici malzemeler, başlangıçtaki taze yakıt yüklerinin yüksek reaktivitesini azaltmak için bazı reaktör tiplerine kasıtlı olarak eklenir. Bu zehirlerden bazıları, reaktörün çalışması sırasında nötronları emdikçe tükenirken, diğerleri nispeten sabit kalır.

Kısa yarı ömürlü fisyon ürünleri tarafından nötronların yakalanması, reaktör zehirlenmesi olarak bilinir ; uzun ömürlü veya kararlı fisyon ürünleri tarafından nötron yakalanmasına reaktör cüruflaması denir .

Geçici fisyon ürünü zehirleri

Nükleer reaksiyonlar sırasında üretilen fisyon ürünlerinden bazıları, ksenon-135 (mikroskopik kesit σ = 2.000.000 b (ahır) ; reaktör koşullarında 3 milyon ahıra kadar) ve samaryum-149 (σ = ) gibi yüksek nötron absorpsiyon kapasitesine sahiptir. 74.500 b). Bu iki fisyon ürünü zehiri, nötronları reaktörden uzaklaştırdığından, termal kullanım faktörünü ve dolayısıyla reaktiviteyi etkileyecektir. Bu fisyon ürünleri tarafından bir reaktör çekirdeğinin zehirlenmesi o kadar ciddi olabilir ki zincirleme reaksiyon durma noktasına gelebilir .

Bilinen en güçlü nötron zehiri olduğu için özellikle Xenon-135 bir nükleer reaktörün çalışmasını muazzam şekilde etkiler. Bir reaktörün ksenon-135'in birikmesi nedeniyle yeniden başlatılamamasına (yaklaşık 10 saat sonra maksimuma ulaşır) bazen ksenon önlenmiş başlatma denir . Reaktörün ksenon-135'in etkilerini geçersiz kılamadığı süreye ksenon ölü zamanı veya zehir kesintisi denir . Sabit bir nötron akışı seviyesinde, kararlı durum çalışması periyotları sırasında , ksenon-135 konsantrasyonu, yaklaşık 40 ila 50 saat içinde bu reaktör gücü için denge değerine ulaşır. Reaktör gücü artırıldığında, yanma yeni, daha yüksek güç seviyesinde arttığı için başlangıçta ksenon-135 konsantrasyonu azalır. Bu nedenle, ksenon zehirlenmesinin dinamikleri, özellikle fiziksel olarak büyük reaktörlerde, akı modelinin ve geometrik güç dağılımının kararlılığı için önemlidir.

Ksenon-135 üretiminin %95'i , 6 ila 7 saatlik bir yarı ömre sahip olan iyodin-135 bozunmasından kaynaklandığından, ksenon-135 üretimi sabit kalır; bu noktada, ksenon-135 konsantrasyonu minimuma ulaşır. Konsantrasyon daha sonra aynı zamanda, kabaca 40 ila 50 saat içinde yeni güç seviyesi için dengeye yükselir. Güç değişimini takip eden ilk 4 ila 6 saatlik süre boyunca konsantrasyon değişikliğinin büyüklüğü ve hızı, ilk güç seviyesine ve güç seviyesindeki değişim miktarına bağlıdır; güç seviyesindeki daha büyük bir değişiklik için ksenon-135 konsantrasyon değişikliği daha büyüktür. Reaktör gücü azaltıldığında, süreç tersine çevrilir.

Samaryum-149 radyoaktif olmadığından ve bozunma yoluyla ortadan kaldırılmadığından, ksenon-135 ile karşılaşılanlardan biraz farklı sorunlar sunar. Denge konsantrasyonu (ve dolayısıyla zehirlenme etkisi), reaktör çalışması sırasında yaklaşık 500 saatte (yaklaşık üç hafta) bir denge değerine ulaşır ve samaryum-149 stabil olduğundan, konsantrasyon reaktör çalışması sırasında esasen sabit kalır. Oluşan bir diğer sorunlu izotop, mikroskobik kesiti σ = 200.000 b olan gadolinyum- 157'dir.

Biriken fisyon ürünü zehirleri

Konsantrasyonları ve termal nötron absorpsiyon kesitlerinin bir sonucu olarak reaktörün çalışması üzerinde zehirleyici bir etkiye sahip olan çok sayıda başka fisyon ürünü vardır. Bireysel olarak çok az sonuçları vardır, ancak birlikte ele alındığında önemli bir etkiye sahiptirler. Bunlar genellikle parçalanmış fisyon ürünü zehirleri olarak karakterize edilir ve reaktörde fisyon olayı başına ortalama 50 ahır oranında birikir . Yakıtta fisyon ürünü zehirlerinin birikmesi, sonunda verim kaybına ve bazı durumlarda kararsızlığa yol açar. Pratikte, nükleer yakıtta reaktör zehirlerinin birikmesi, bir reaktördeki nükleer yakıtın ömrünü belirleyen şeydir: tüm olası bölünmeler meydana gelmeden çok önce, uzun ömürlü nötron emici fisyon ürünlerinin birikmesi zincirleme reaksiyonu söndürür. Nükleer yeniden işlemenin yararlı bir faaliyet olmasının nedeni budur : kullanılmış katı nükleer yakıt , yeni üretilmiş nükleer yakıtta bulunan orijinal bölünebilir malzemenin yaklaşık %97'sini içerir. Fisyon ürünlerinin kimyasal olarak ayrılması, yakıtı yeniden kullanılabilir hale getirir.

Fisyon ürününün çıkarılmasına yönelik diğer potansiyel yaklaşımlar arasında, fisyon ürünlerinin ve sıvı veya gaz halindeki yakıtın ( erimiş tuz reaktörü , sulu homojen reaktör ) kaçmasına izin veren katı fakat gözenekli yakıt yer alır . Bunlar, yakıtta fisyon ürünü birikmesi sorununu kolaylaştırır, ancak fisyon ürünlerinin güvenli bir şekilde çıkarılması ve depolanması sorununu ortaya çıkarır.

Nispeten yüksek absorpsiyon kesitlerine sahip diğer fisyon ürünleri arasında ⁸³ Kr, ⁹⁵ Mo, ¹⁴³ Nd, ¹⁴⁷ Pm bulunur. Bu kütlenin üzerinde, birçok çift kütleli izotop bile , bir çekirdeğin birden fazla nötronu seri olarak emmesine izin veren geniş absorpsiyon kesitlerine sahiptir. Daha ağır aktinitlerin bölünmesi, lantanit aralığında daha ağır fisyon ürünlerinin çoğunu üretir, bu nedenle fisyon ürünlerinin toplam nötron absorpsiyon kesiti daha yüksektir.

Bir de hızlı bir reaktör için fizyon ürünü zehir durum önemli ölçüde farklı olabilir nötron absorpsiyon kesitleri için farklı olabilir , termal nötron ve hızlı nötronlar . RBEC-M Kurşun-Bizmut Soğutmalı Hızlı Reaktörde , toplam fisyon ürünlerinin yakalanmasının %5'inden fazlasını nötron yakalayan fisyon ürünleri sırasıyla ¹³³ Cs, ¹⁰¹ Ru, ¹⁰³ Rh, ⁹⁹ Tc, ¹⁰⁵ Pd ve ¹⁰⁷ Pd'dir. çekirdek ile, ¹⁴⁹ Sm yerine ¹⁰⁷ ıslah battaniye 6 yer Pd.

çürüme zehirleri

Fisyon ürünü zehirlerine ek olarak, reaktördeki diğer maddeler de bozunarak nötron zehirleri gibi davranan maddelere dönüşür. Bunun bir örneği, bozunması olan trityum için helyum-3 . Trityumun yarılanma ömrü 12,3 yıl olduğundan, normalde bu bozunma, trityumun bozunma hızı çok yavaş olduğu için reaktör operasyonlarını önemli ölçüde etkilemez. Bununla birlikte, bir reaktörde trityum üretilir ve daha sonra birkaç aylık uzun süreli kapatma sırasında reaktörde kalmasına izin verilirse, önemli miktarda negatif reaktivite eklemek için yeterli miktarda trityum helyum-3'e bozunabilir. Bir kapatma periyodu sırasında reaktörde üretilen herhangi bir helyum-3, sonraki çalışma sırasında bir nötron-proton reaksiyonu ile uzaklaştırılacaktır.

Kontrol zehirleri

Bir reaktörün çalışması sırasında, çekirdekte bulunan yakıt miktarı monoton olarak azalır . Reaktör uzun süre çalışacaksa, reaktöre yakıt verildiğinde tam kritiklik için gerekenden fazla yakıt eklenmelidir. Fazla yakıttan kaynaklanan pozitif reaktivite, nötron emici malzemeden kaynaklanan negatif reaktivite ile dengelenmelidir. Nötron emici malzeme içeren hareketli kontrol çubukları bir yöntemdir, ancak aşırı reaktiviteyi dengelemek için kontrol çubukları tek başına belirli bir çekirdek tasarımı için pratik olmayabilir, çünkü çubuklar veya mekanizmaları için yetersiz yer olabilir, yani denizaltılarda, özellikle alan özellikle önemlidir. prim olarak.

Yanabilir zehirler

Kontrol çubukları olmadan büyük miktarlardaki aşırı yakıt reaktivitesini kontrol etmek için çekirdeğe yanabilir zehirler yüklenir. Yanabilir zehirler, nötron absorpsiyonunun sonucu olarak nispeten düşük absorpsiyon kesitli malzemelere dönüştürülen, yüksek nötron absorpsiyon kesitine sahip malzemelerdir. Zehirli malzemenin yanması nedeniyle, yanabilir zehrin negatif reaktivitesi çekirdek ömrü boyunca azalır. İdeal olarak, bu zehirler, yakıtın aşırı pozitif reaktivitesinin tükendiği oranda negatif reaktivitelerini azaltmalıdır. Sabit yanıcı zehirler genellikle ayrı kafes pimleri veya plakaları şeklinde şekillendirilen veya yakıta katkı maddesi olarak eklenen bor veya gadolinyum bileşikleri şeklinde kullanılır. Genellikle kontrol çubuklarından daha düzgün dağılabildiklerinden, bu zehirler çekirdeğin güç dağılımına daha az zarar verir. Sabit yanabilir zehirler ayrıca, reaktörün belirli bölgelerinin yakınında aşırı akı ve güç zirvesini önlemek için akı profillerini şekillendirmek veya kontrol etmek için çekirdekteki belirli konumlara ayrı olarak yüklenebilir. Ancak mevcut uygulama, bu hizmette sabit yanmaz zehirler kullanmaktır.

Yanmaz zehir

Yanmaz bir zehir, çekirdeğin ömrü boyunca sabit bir negatif reaktiviteyi koruyan bir zehirdir. Hiçbir nötron zehiri kesinlikle yanmazken, belirli maddeler belirli koşullar altında yanmaz zehirler olarak kabul edilebilir. Bir örnek hafniyumdur . Beş kararlı izotopu vardır ,¹⁷⁶
hf
vasıtasıyla ¹⁸⁰
hf
hepsi nötronları emebilir, bu nedenle ilk dördü nötronları emerek kimyasal olarak değişmez. (Son bir absorpsiyon üretir¹⁸¹
hf
, hangi beta bozunur ¹⁸¹
Ta
.) Bu absorpsiyon zinciri, yanmaz özelliklere yaklaşan uzun ömürlü yanıcı bir zehir ile sonuçlanır.

Çözünür zehirler

Kimyasal dolgu olarak da adlandırılan çözünür zehirler, soğutucu suda çözündüklerinde uzamsal olarak düzgün bir nötron absorpsiyonu üretirler . Ticari basınçlı su reaktörlerinde (PWR) en yaygın çözünür zehir , genellikle çözünür bor olarak adlandırılan borik asittir . Soğutucudaki borik asit, termal kullanım faktörünü azaltarak reaktivitede azalmaya neden olur. Soğutucudaki borik asit konsantrasyonunun değiştirilmesiyle, borlama ve seyreltme olarak adlandırılan bir süreç, çekirdeğin reaktivitesi kolaylıkla değiştirilebilir. Bor konsantrasyonu artarsa, soğutucu/moderatör daha fazla nötron emerek negatif reaktivite ekler. Bor konsantrasyonu azaltılırsa (seyreltme), pozitif reaktivite eklenir. Bir PWR'deki bor konsantrasyonunun değiştirilmesi yavaş bir süreçtir ve öncelikle yakıtın yanmasını veya zehir oluşumunu telafi etmek için kullanılır. Bor konsantrasyonundaki değişiklik, kontrol çubuğu kullanımının en aza indirilmesine izin verir, bu da çekirdek üzerinde çubuk yerleştirme ile üretilebilenden daha düz bir akı profili ile sonuçlanır. Daha düz akı profili oluşur, çünkü sokulan kontrol çubuklarının yakınında üretilecek olanlar gibi bastırılmış akı bölgeleri yoktur. Kimyasallar moderatör sıcaklık reaktivite katsayısını daha az negatif hale getirdiği için bu sistem yaygın olarak kullanılmamaktadır. ABD'de faaliyet gösteren tüm ticari PWR türleri (Westinghouse, Combustion Engineering ve Babcock & Wilcox), aşırı reaktiviteyi kontrol etmek için çözünür bor kullanır. ABD Donanması reaktörleri ve Kaynar Su Reaktörleri yok.

Acil kapatma sistemlerinde de çözünür zehirler kullanılır. SCRAM sırasında operatörler, nötron zehirleri içeren çözeltileri doğrudan reaktör soğutucusuna enjekte edebilir. Sodyum poliborat ve gadolinyum nitrat (Gd(NO ₃ ) ₃ · x H ₂ O) dahil olmak üzere çeşitli çözeltiler kullanılır.

Referanslar

bibliyografya

• DOE Temelleri El Kitabı: Nükleer Fizik ve Reaktör Teorisi, Cilt. 2 (PDF) . ABD Enerji Bakanlığı . Ocak 1993. Arşivlenmiş orijinal (PDF) 2013-12-03 tarihinde . 2012-09-23 alındı .