Bir nötron zehiri (" nötron emici " veya "nükleer zehir" olarak da adlandırılır ), büyük bir nötron soğurma bölümüne sahip olan ve bu nedenle bir nükleer reaktörün nötron dengesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olan bir maddedir .
Olarak nükleer reaktörler , emme nötron özellikle sahiptir zehirlenme etkisini reaktör . Bu zehirlenmenin başlıca nedeni, nötronların kısa yarı ömürlü fisyon ürünleri tarafından yakalanmasıdır, bunlardan en önemlisi ksenon 135'tir veya samaryum 149 ve gadolinyum 157 gibi daha uzun veya kararlı yarı ömre sahip fisyon ürünleridir .
Daha spesifik olarak, " nötron soğurucu" terimi , başka bir dönüşüm veya indüklenmiş radyoaktivite olmaksızın yalnızca nötronları emen elementleri de belirtir . Bu, bölünebilir ve verimli izotopların yanı sıra radyoaktif izotoplara dönüşenler hariçtir . Zehir olarak da adlandırılan bu nötron emici malzemeler, taze yakıtın yüksek reaktivitesini azaltmak için kasıtlı olarak belirli reaktör türlerine verilir. Bu tür elemanlar tipik olarak reaktör kontrol çubuklarında bileşenler olarak veya reaktiviteyi kontrol etmek için tüketilebilir bir zehir olarak kullanılabilir. Radyasyondan korunma bariyeri olarak da kullanılabilirler .
Bunlar değişikliğin telafi edilmesini mümkün kılar, reaktörün çalışması esnasında nötron absorbe zaman “sarf zehirler” olarak bilinen bu zehirler, bazıları tükenebilir reaktivitesi olan reaktörün yanma hızı . Diğerleri nispeten sabit kalır ve reaktörün nötron akışını standartlaştırmaya hizmet eder .
Fisyon sırasında oluşan atomların tümü, stabilite vadisine kıyasla nötronlardan fazladır, bu nedenle birkaç nötron yakalarlar. Bununla birlikte, nükleer reaksiyonlar sırasında üretilen bazı fisyon ürünleri , ksenon 135 (kesit σ = 2.650.000 b ( ahırlar ) ve samaryum -149 (σ = 40.140 b) gibi güçlü bir nötron absorpsiyon kapasitesine sahiptir . nötron reaktörü, reaktivite üzerinde etkisi olacaktır.
Bu ürünlerin neden olduğu zehirlenme , reaktörün izin verilen çalışma aralığı içinde kalırken zincirleme reaksiyonun sürdürülemeyeceği bir hale gelebilir . Ksenon zehirlenmesi özellikle Çernobil kazasına neden olan faktörlerden biridir .
Ksenon zehirlenmesiÖzellikle ksenon-135 , bir nükleer reaktörün çalışması üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Ksenon zehirlenmesinin dinamikleri, özellikle büyük reaktörlerde, akının kararlılığı ve gücün geometrik dağılımı için büyük önem taşıyan çekirdeğin reaktivitesinde önemli bir varyasyon oluşturur.
veyaRejim değişikliğinden sonraki 4 ila 6 saatlik ilk dönem boyunca, konsantrasyon değişikliklerinin büyüklüğü ve hızı, başlangıçtaki güç seviyesine ve güç seviyesindeki değişikliğe bağlıdır. Güç seviyesindeki değişim ne kadar büyükse, ksenon-135 konsantrasyonundaki değişim de o kadar büyük olur. Birkaç saat sonra, ksenon konsantrasyonu minimuma ulaşır, daha sonra iyot miktarı yeterince arttığında, ksenon sırayla artar. Kararlı durum çalışma periyotları sırasında, sabit bir nötron akışı seviyesinde , ksenon-135 konsantrasyonu denge değerine yaklaşık 40 ila 50 saat içinde ulaşır .
Reaktör başladığında, başlangıçta, yalnızca birkaç saat sonra görünen ksenon-135 yoktur. Ksenon konsantrasyonundaki artışla, reaktör reaktivitesini kaybeder ve bu da yeterli reaktivite rezervine sahip değilse kapanmasına neden olabilir.
Bir çalışma süresinden sonra, reaktörün gücü arttırılırsa, ksenon-135 üretimi başlangıçta sabit kalır, çünkü ksenon-135'in% 95'i , yarı ömrü 6,58 saat olan iyot 135'in bozunmasından gelir. . Öte yandan, xenon-135 konsantrasyonu önce azalır, çünkü bozunma hızı reaktörün gücüyle artar. Ksenon-135 bir nötron zehiri olduğundan, konsantrasyonundaki düşüş kalbin reaktivitesini ve dolayısıyla gücü artırır: sapma kararsız olma eğilimindedir ve kontrol çubukları ile telafi edilmesi gerekir.
Reaktörün gücü azaldığında süreç tersine döner. Daha önce olduğu gibi, güçteki azalma, nötrofaj ksenon 135'in birikmesine neden olur ve bu da gücü daha da azaltma eğilimindedir. Bu reaktivite kaybı (reaktörün kapatılmasından yaklaşık 10 saat sonra maksimuma ulaşır) "ksenon zehirlenmesi" olarak adlandırılır ve bir reaktörün yeniden başlatılamamasına veya düşük güçte çalışmaya devam etmesine neden olabilir. Bu, özellikle reaktörün kapatıldığı durumdur. Reaktörün ksenon 135'in etkilerinin üstesinden gelemediği süreye ksenon ölü veya zehirlenme gecikmesi .
Samaryum zehirlenmesiSamaryum-149 görünür nispeten büyük bir fizyon ürünü olan bozunma zincirinden bir neodimyum 149 ve yavaş nötron ve böylece zehirlenme etkisi için büyük bir çekim enine kesite sahiptir. Bununla birlikte, xenon 135 ile karşılaşılandan biraz farklı bir sorun ortaya çıkarmaktadır . Aslında, bir yandan neodim 149> prometiyum 149> samaryum 149 bozunma zincirleri ve diğer yandan tellür 135> iyot 135> ksenon 135 genel olarak benzer ise, üç farka dikkat edilmelidir:
Bununla birlikte, dengede bulunan prometyum 149 miktarı, iyot 135'inkinden daha fazladır.
149 Pm üretimi nötron akısı ile orantılıdır ; Sm-149 üretimi, mevcut 149 um miktarıyla orantılıdır ; 149 Sm'lik tüketim de akışla orantılıdır; bu nedenle dengede 149 Sm konsantrasyon akıdan bağımsızdır. Reaktör çalışırken, konsantrasyon (ve dolayısıyla zehirlenme etkisi) yaklaşık 500 saatte (yani yaklaşık üç hafta) denge değerine ulaşır. Bununla birlikte, reaktör kapatıldığında, samaryum tüketilmeye son verir ve akış yönünde üretilen herhangi bir prometyum-149 (akışla orantılı olarak) samaryuma dönüşür. 3.2 x 10 bir başlangıç akış için 13 N / cm 2 / s sabit güçte uzun işlem 1300 PCM yaklaşık sonra samaryum zehirlenerek, bir basınçlı su reaktörü tipik. Promethium-149'un durdurulduktan sonra parçalanmasıyla sağlanan ilave anti-reaktivite 500 pcm düzeyindedir; bu kayıp akı ile orantılıdır ve yüksek akı reaktörü durumunda daha yüksek değerlere sahip olabilir.
Reaktör, yine de beklenmedik bir şekilde gerekli olabilecek bir kapanma sonrasında sorunsuz bir şekilde yeniden başlatılabilmesi için yeterli bir reaktivite marjına (kontrol çubuklarının çıkarılması veya çözünür zehirin seyreltilmesi) sahip olacak şekilde tasarlanmalıdır. Prometyum-149'un bozunmasının sağladığı gecikme (72 saatten fazla), ara bir yeniden başlatmaya izin verebilir, ancak bu arada yaklaşık 24 saat sonra meydana gelen ksenon 135'in bozunması, pratikte reaktivitede kayıptan daha büyük bir kazanç sağlar. samaryum 149.
Gadolinyum zehirlenmesiBiriken diğer bir sorunlu izotop , σ = 254.000 b mikroskobik kesitli gadolinyum 157'dir. Fisyon yoluyla üretimi (% 0,004'e yakın verim) ancak iyot 135'inkinden bin kat daha düşüktür (verim% 6,4 +% 0,4). Dengedeki konsantrasyon değeri eşittir: akı bağımsızdır ve eşittir 1.55 x 10 13 de / cm 3 bir PWR 900MWe çekirdek. Makroskopik kesit eşittir 3.936 x 10 -6 cm -1 , 0,1402 cm eşittir toplam emilim makroskopik enine kesitine kıyasla çok düşük bir değer -1 . Pcm cinsinden ifade edilen zehirlenme çok düşüktür.
Konsantrasyonları ve termal nötron soğurma bölümleri nedeniyle reaktörlerin çalışması üzerinde zararlı bir etkiye sahip olan birçok başka fisyon ürünü vardır. Bireysel olarak önemsizdirler, ancak birlikte ele alındığında önemli bir etkiye sahiptirler. Genellikle zehirli fisyon ürünleri olarak karakterize edilirler. Reaktörde parçalanma başına ortalama 50 ahır oranında birikirler. Yakıtta zehirli fisyon ürünlerinin birikmesi, verimlilik kaybına ve bazı durumlarda istikrarsızlığa yol açar. Pratikte, reaktörün nükleer yakıtındaki zehirlerin birikmesi , bir reaktördeki nükleer yakıtın ömrünü belirleyen şeydir: tüm olası fisyonlar gerçekleşmeden çok önce, uzun ömürlü fisyon ürünlerinin birikmesi ömrü absorbe eder. nötronlar zincirleme reaksiyonu azaltır. Nükleer atığın yeniden işlenmesinin yararlı olmasının nedeni budur : Kullanılmış katı nükleer yakıt , yeni üretilmiş orijinal nükleer yakıtta bulunan bölünebilir malzemenin yaklaşık% 97'sini içerir. Fisyon ürünlerinin kimyasal olarak ayrılması, yakıtın kalitesini geri kazandırır, böylece tekrar kullanılabilir.
Fisyon ürünlerini, özellikle fisyon ürünlerinin sızmasına veya sıvı veya gaz halindeki yakıtlara ( erimiş tuz reaktörü , sulu homojen reaktör ) izin veren gözenekli katı yakıt kullanarak uzaklaştırmak için başka yaklaşımlar da mümkündür . Bu, yakıttaki fisyon ürünlerinin birikmesi sorununu azaltır, ancak fisyon ürünlerinin güvenli bir şekilde çıkarılması ve depolanması konusunda ek sorunlar ortaya çıkarır.
Nispeten yüksek soğurma bölümlerine sahip diğer fisyon ürünleri 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm'dir. Bu kütlenin üzerinde, eşit kütle sayısına sahip birçok izotop , bir çekirdeğin birden fazla nötronun seri olarak emilmesine izin veren soğurma bölümlerine sahiptir. Ağır aktinit fisyonu, lantanit aralığında daha ağır fisyon ürünleri üretir, bu nedenle fisyon ürünlerinin toplam nötron absorpsiyon kesiti daha yüksektir.
Bir olarak hızlı nötron reaktör nötron absorpsiyon kesitleri için farklı olabilir, çünkü zehir fizyon ürünleri durumunda önemli bir farklılık termal nötronlar ve hızlı nötronlar . RBEC-M reaktöründe , bizmut soğutmalı, hızlı nötron reaktörü ). Göre sınıflandırılır fuzyon ürünleri nötron yakalama için (toplam füzyon ürünleri daha fazla% 5'ini temsil eden): 133 Cs, 101 Ru, 103 Rh 99 , Tc, 105 Pd ve 107 Pd çekirdek , 149Sm değiştirilmesi ile 107 Pd 6 inci verimli paket içinde yer.
Zehirli fisyon ürünlerine ek olarak, reaktörlerdeki diğer malzemeler bozunarak nötron zehiri görevi gören malzemelere dönüşür. Bunun bir örneği, bozunması olan trityum içine helyum 3 . Trityumun yarılanma ömrü 12,3 yıl olduğundan, normalde bu bozulma reaktörün çalışmasını önemli ölçüde etkilememelidir, çünkü trityumun bozunma hızı yavaştır. Bununla birlikte, bir reaktörde trityum üretilir ve daha sonra birkaç aylık uzun bir kapatma için reaktörde kalırsa, yeterli miktarda trityum helyum-3'e ayrışabilir ve reaktivitesini olumsuz etkileyebilir. Kapatma periyodu sırasında reaktörde üretilen tüm helyum-3, bir nötron-proton reaksiyonu ile müteakip operasyon sırasında uzaklaştırılacaktır.
Bir reaktörün uzun bir süre çalışması gerektiğinde ( Fransız PWR'lerinde yaklaşık 18 aylık döngü ), tam kritik kütleyi elde etmek için gerekenden daha büyük bir başlangıç yakıt miktarı reaktöre yüklenir. Çalışma sırasında çekirdekte bulunan bu yakıt miktarı tüketildikçe monoton olarak azalır . Pozitif geri besleme döngüsünün başlangıcında bağlı olarak aşırı yakıt dolayısıyla bir nötron emici malzeme ekleyerek negatif geri besleme ile dengelenmelidir.
Kullanımı hareketli kumanda çubukları nötron emici malzeme içeren bir yöntemdir, ancak çubuklar veya mekanizmaları için yeterli alan olmayabilir sadece kontrol çubukları vasıtasıyla reaktörün aşırı reaktivitesi kontrol bazı özel tasarımlar için zor olabilir, ama her şeyden çünkü bu tip kontrol (çubuklarla), reaktörün akışında, çekirdekte sıcak noktalar oluşturabilen bir deformasyona neden olur. Bu nedenle PWR'lerde , yakıt ikmali sonrasında mevcut olan bu aşırı reaktivitenin, döngünün başlangıcında maksimum çözünebilir boron konsantrasyonundan başlayarak, ardından bu konsantrasyonun yakıtın tükenmesinin bir fonksiyonu olarak azaltılması tercih edilir. sonraki yeniden yükleme.
Kontrol çubukları olmadan büyük miktarda fazla yakıt nedeniyle reaktiviteyi kontrol etmek için, sarf malzemesi zehirleri çekirdeğe yüklenir. Tüketilebilir zehirler, yüksek bir nötron absorpsiyon kesitine sahip olan ve nötronların absorpsiyonu üzerine nispeten düşük absorpsiyon kesitli materyallere dönüşen materyallerdir. Zehrin tükenmesi nedeniyle, kalbin ömrü boyunca tüketilebilir zehire bağlı olumsuz reaktivite azalır. İdeal olarak, bu zehirlerin negatif reaktivitesi, tükendiğinde yakıtın aşırı reaktivitesiyle aynı oranda azalmalıdır. Ek olarak, malzemedeki rahatsızlıkları sınırlandırmak için tüketilebilir zehirin aynı kimyasal elementin emici olmayan bir izotopuna dönüşmesi arzu edilir. En sık kullanılan yanıcı zehirler bor veya gadolinyum bileşikleridir . Bir çubuk veya plaka ağı oluştururlar veya yakıta ek elemanlar olarak eklenirler. Genelde kontrol çubuklarından daha eşit dağılabildikleri için bu zehirler kalpteki enerjinin dağılımını daha az bozar. Yanıcı zehir, nötron akışının şeklini şekillendirmek veya dağılımını kontrol etmek ve böylece reaktörün belirli alanlarında aşırı akıyı ve yerel enerji tepe noktasını önlemek için çekirdeğin belirli alanlarına yerel olarak da yüklenebilir. Bununla birlikte, mevcut uygulama, bu özel amaç için tüketilmeyen zehirleri kullanmaktır.
Yanıcı olmayan bir zehir, kalbin ömrü boyunca sürekli bir negatif reaktivite değerini koruyan zehirdir. Hiçbir nötron zehiri kesinlikle yanıcı olmamasına rağmen, bazı maddeler belirli koşullar altında yanmaz zehirler olarak kabul edilebilir. Bir örnek hafniyumdur. Bir arasında (nötron absorpsiyonu ile) çıkarılması izotop arasında hafniyum bir nötron soğurucu üretimine yol açar ve beş emici bir zincir üzerinde devam eder. Bu emilim zinciri, zehirin yanıcı olmasına rağmen yanıcı olmadığı düşünülebilecek uzun ömürlü bir zehir gibi davranmasına neden olur. Bu tür bir zehir, kalbin ömrü boyunca sürekli etkinliğini sürdürmesi gereken acil durum kontrol çubukları için özellikle ilgi çekicidir.
Çözünür zehirler , bir nükleer reaktörün soğutucusunda çözüldüğünde uzayda tek tip nötron emilimi üretir .
En yaygın çözünür zehir basınçlı su reaktörleri (PWR) olan borik asit, sık olarak adlandırılır, çözünür bor , ya da sadece Solbor . Soğutucudaki borik asit nötronları emerek reaktivitenin azalmasına neden olur. Bu borik asit konsantrasyonunu değiştirerek, borikasyon / seyreltme adı verilen bir işlemle, çekirdeğin reaktivitesi değişir: bor konsantrasyonu arttığında (borikasyonla), reaktiviteyi azaltan daha fazla nötron emilir; tersine, bor konsantrasyonu azaldığında (seyreltme yoluyla), reaktivite artar.
Bir PWR'deki bor konsantrasyonunun evrimi yavaş bir süreçtir ve esas olarak bir yandan yakıtın tükenmesini veya zehir birikmesini telafi etmek için, diğer yandan da yük sırasında ksenon zehirlenmesini telafi etmek için kullanılır. varyasyonlar.
Gelen PWR özelliği, bor içeriğinin ancak artış ile sınırlıdır reaktör kontrol çubukları sokulması için en yüksek değerleri yanı sıra şarj sonra birincil su içinde çözülmüş moderatör sıcaklık katsayısı olarak, büyük ölçüde olumsuz kalmalıdır. (Güvenlik marjı ). Suyun sıcaklıkla genleşmesi, içeriğin yüksek olması nedeniyle bir miktar borun çekirdekten dışarı atılmasına neden olur; bu, ılımlı sıcaklık katsayısını pozitif hale getirene kadar olmasa da en azından riskli hale gelene kadar gidebilir. bazı yeni çekirdekler için güvenlik marjını azaltmak.
Çözünür zehirler, bir kaza durumunda kalbi su basması için emniyet enjeksiyonu yoluyla acil kapatma sistemlerinde de kullanılır. Aslında bu gibi durumlarda otomatik sistemler ve ardından operatörler nötron zehirleri içeren solüsyonları doğrudan reaktör soğutucusuna enjekte edebilir. Sodyum poliborat ve gadolinyum nitrat (Gd (NO3) 3 · xH2O) dahil olmak üzere çeşitli çözeltiler kullanılır.
Aşağıda nötron absorpsiyonunun enine kesitleri için verilen değerler (ahır cinsinden), dikkate alınan uygulamaya bağlı olarak çok spesifik bir enerjiye sahip nötronları ifade eder.