Otravă cu neutroni

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă căutați informații despre deteriorarea biologică a radiațiilor ionizante , consultați otrăvirea cu radiații .

O otravă cu neutroni (numită și „ absorbant de neutroni ” sau „otravă nucleară”) este o substanță cu o secțiune transversală mare de absorbție a neutronilor , în aplicații precum reactoarele nucleare . [1] În astfel de aplicații, absorbția neutronilor este de obicei un efect nedorit. Cu toate acestea, materialele absorbante de neutroni , numite și otrăvuri, sunt inserate intenționat în unele tipuri de reactoare pentru a reduce reactivitatea ridicată a încărcăturii lor inițiale de combustibil proaspăt. Unele dintre aceste otrăvuri se epuizează, deoarece absorb neutronii în timpul funcționării reactorului, în timp ce altele rămân relativ constante.

Captarea neutronilor de către produsele de fisiune cu un timp de înjumătățire scurt este cunoscută sub numele de otrăvire cu reactor ; captarea neutronilor de către produse de fisiune stabile sau de lungă durată se numește zgomot de reactor . [2]

Otravurile produselor de fisiune tranzitorii

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: otrăvirea cu xenon .

Unele dintre produsele de fisiune generate în timpul reacțiilor nucleare au o capacitate mare de absorbție a neutronilor, cum ar fi xenon-135 (secțiune microscopică σ = 2.000.000 b (hambar) ) și samariu-149 (σ = 74.500 b). Deoarece aceste două produse de fisiune îndepărtează neutronii din reactor, sunt considerați a fi otrăvuri care au un impact asupra factorului de utilizare termică și, prin urmare, asupra reactivității. Otravirea miezului reactorului de către acești produși de fisiune poate deveni atât de severă încât reacția în lanț se oprește. [3]

Xenonul-135, în special, are un impact extraordinar asupra funcționării unui reactor nuclear. Incapacitatea unui reactor de a reporni din cauza acumulării de xenon-135 (vârfuri după aproximativ 10 ore) este uneori numită pornire cu xenon împiedicată . Perioada de timp în care reactorul nu poate anula efectele xenon-135 se numește timp de nefuncționare a xenonului sau oprire a otrăvurilor . În perioadele de funcționare la starea de echilibru, la un nivel constant al fluxului de neutroni , concentrația de xenon-135 crește până la valoarea sa de echilibru pentru puterea reactorului respectiv în aproximativ 40 până la 50 de ore. Pe măsură ce puterea reactorului este crescută, concentrația de xenon-135 scade inițial pe măsură ce consumul a crescut la noul nivel de putere mai mare. Prin urmare, dinamica otrăvirii cu xenon reprezintă un feedback pozitiv al reactivității, care este important pentru stabilitatea modelului de curgere și pentru distribuția geometrică a puterii, în special în reactoarele mari.

Deoarece 95% din xenon-135 este produs de descompunerea iodului-135 , care are un timp de înjumătățire de 6 până la 7 ore, producția de xenon-135 rămâne constantă; în acest moment, concentrația de xenon-135 atinge un nivel minim. Concentrația crește apoi la echilibru pentru noul nivel de putere în același timp, aproximativ 40 până la 50 de ore. Mărimea și rata modificării concentrației în perioada inițială de 4 până la 6 ore după schimbarea puterii depinde de nivelul de putere inițial și de cantitatea de modificare a nivelului de putere; modificarea concentrației de xenon-135 este mai mare pentru o schimbare mai mare a nivelului de putere. Când puterea reactorului este redusă, procesul se inversează. [4]

Deoarece samarium-149 nu este radioactiv și nu se elimină prin descompunere, acesta prezintă probleme oarecum diferite de cele întâlnite cu xenon-135. Concentrația de echilibru (și, prin urmare, efectul otrăvitor) se acumulează la o valoare de echilibru în timpul activității reactorului în aproximativ 500 de ore (aproximativ trei săptămâni) și, din moment ce samarium-149 este stabil, concentrația rămâne substanțial constantă în timpul funcționării reactorului. [5] Un alt izotop problematic care se acumulează este gadoliniu-157 , cu o secțiune transversală microscopică de σ = 200.000 b.

Acumularea otrăvurilor produse prin fisiune

Există numeroși alți produse de fisiune care, ca urmare a concentrației lor și a secțiunii lor transversale de absorbție a neutronilor termici, au un efect otrăvitor asupra funcționării reactorului. În mod individual, acestea sunt de mică importanță, dar luate împreună au un impact semnificativ. Ele sunt adesea caracterizate ca otrăvuri produse de fisiunea bloc și se acumulează la o rată medie de 50 de hambare per eveniment de fisiune a reactorului. Acumularea otrăvurilor induse de fisiune în combustibil duce în cele din urmă la pierderea eficienței, iar la unele la instabilitate. În practică, acumularea de otrăvuri în combustibilul nuclear al reactorului este cea care determină durata de viață utilă a combustibilului nuclear într-un reactor: cu mult înainte de a avea loc toate fisiunile posibile, acumularea de produse de fisiune de lungă durată care absorb neutronul amortizează reacție în lanț. Acesta este motivul pentru care reprocesarea nucleară este o activitate utilă: combustibilul nuclear uzat conține aproximativ 97% din materialul fisionabil original prezent în combustibilul nuclear refăcut. Separarea produselor de fisiune restabilește combustibilul, astfel încât să poată fi utilizat din nou.

Alte abordări potențiale pentru eliminarea produselor de fisiune includ utilizarea combustibililor solizi, dar poroși care permit evacuarea produselor de fisiune [6] și utilizarea combustibililor lichizi sau gazoși ( reactor de sare topită , reactor apos omogen ). Acestea ușurează problema acumulării de produse de fisiune în combustibil, dar pun problema suplimentară a eliminării și depozitării în siguranță a produselor de fisiune.

Alte produse de fisiune cu o secțiune transversală de absorbție relativ ridicată includ 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm. [7] Deasupra acestei mase, mulți izotopi cu numere de masă pare au și secțiuni transversale mari de absorbție, permițând unui nucleu să absoarbă mai mulți neutroni unul după altul. Fisiunea actinidelor mai grele produce produse de fisiune mai grele în banda lantanidă , prin urmare secțiunea transversală de absorbție totală a produselor de fisiune este mai mare. [8]

Într - un reactor nuclear rapid situația otrăvirii prin fisiune produse poate varia semnificativ , deoarece neutron secțiunea transversală de absorbție pot fi diferite pentru termici neutroni și neutroni rapizi . În reactorul rapid RBEC-M plumb-bismut , produsele de fisiune neutronică care captează mai mult de 5% din capturile totale de produse de fisiune sunt, în ordine, 133 Cs, 101 Ru, 103 Rh, 99 Tc, 105 Pd și 107 Pd în nucleu , cu 149 Sm înlocuind 107 Pd pe locul 6 în mantaua fertilă. [9]

Otravuri de descompunere

Pe lângă otrăvurile rezultate din produsele de fisiune, alte materiale din reactor se degradează pentru a deveni materiale care acționează ca otrăvuri cu neutroni. Un exemplu în acest sens este decăderea tritiului în heliu-3 . Deoarece tritiul are un timp de înjumătățire de 12,3 ani, această descompunere nu afectează în mod semnificativ funcționarea reactorului, deoarece rata de descompunere a tritiului este atât de lentă. Cu toate acestea, dacă tritiul este produs într-un reactor și apoi este lăsat să rămână în reactor în timpul unei opriri extinse de câteva luni, o cantitate suficientă de tritiu se poate descompune în heliu-3, ceea ce va adăuga o cantitate semnificativă de reactivitate negativă. Orice cantitate de heliu-3 produsă în reactor în timpul unei perioade de oprire va fi îndepărtată în timpul următoarei operații printr-o reacție neutron-proton.

Controlează otrăvurile

În timpul funcționării unui reactor, cantitatea de combustibil conținută în miez scade într-un mod monoton . Dacă reactorul trebuie să funcționeze pentru o perioadă lungă de timp, trebuie adăugat mai mult combustibil decât este necesar pentru o criticitate exactă atunci când reactorul este alimentat. Reactivitatea pozitivă datorată excesului de combustibil trebuie echilibrată cu reactivitatea negativă a unui material absorbant de neutroni. Tijele de control care conțin material absorbant de neutroni sunt o metodă, dar tijele de control singure pentru a echilibra reactivitatea în exces pot fi impracticabile pentru un anumit design central, deoarece ar putea exista spațiu insuficient pentru tije sau mecanismele acestora. [10]

Otrave combustibile

Pentru a controla cantități mari de reactivitate excesivă a combustibilului fără tije de control, otrăvurile combustibile sunt încărcate în miez, adică otrăvurile „ardibile”. Otrăvurile combustibile sunt materiale care au o secțiune transversală de absorbție a neutronilor ridicată care se transformă în materiale cu secțiune transversală de absorbție relativ scăzută ca urmare a absorbției. Datorită arderii materialului care otrăvește reactorul, reactivitatea negativă a otrăvii combustibile scade pe durata vieții miezului. În mod ideal, aceste otrăvuri ar trebui să scadă reactivitatea lor negativă la aceeași viteză cu care scade reactivitatea pozitivă a excesului de combustibil. [11] Otrăvurile cu combustibil fix sunt utilizate în general sub formă de compuși de bor sau gadolinium care sunt adaptați în conectori sau plăci de rețea separate sau introduși ca aditivi pentru combustibil. Deoarece tijele de control pot fi distribuite de obicei mai uniform, aceste otrăvuri sunt mai puțin dăunătoare distribuției de energie a miezului. Otrăvurile cu combustibil fix pot fi, de asemenea, încărcate separat în locații specifice din miez, pentru a adapta sau controla profilurile de debit pentru a preveni debitul excesiv și vârfurile de energie în apropierea anumitor regiuni ale reactorului. Cu toate acestea, practica actuală este de a folosi otrăvuri fixe necombustibile pentru această funcție. [12]

Otravuri necombustibile

O otravă necombustibilă este aceea care menține o valoare constantă a reactivității negative pe durata de viață a nucleului. Deși nicio otravă cu neutroni nu este strict necombustibilă, anumite materiale pot fi tratate ca otrăvuri necombustibile în anumite condiții. Un exemplu este hafnium . Eliminarea (prin absorbția neutronilor) a unui izotop hafnium duce la producerea unui alt absorbant de neutroni și continuă printr-un lanț de cinci absorbante. Acest lanț de absorbție are ca rezultat o otravă combustibilă de lungă durată care se apropie de caracteristicile necombustibile. [13]

Otravuri solubile

Otravurile solubile, numite și compensatori chimici , produc o absorbție uniformă a neutronilor din punct de vedere spațial atunci când sunt dizolvate în apa de răcire . Cea mai comună otravă solubilă în reactoarele comerciale (PWR) este acidul boric , care este adesea denumit bor solubil. Acidul boric din lichidul de răcire scade factorul de utilizare termică, provocând o scădere a reactivității. Prin variația concentrației de acid boric din agentul de răcire, un proces cunoscut sub numele de forare și diluare, reactivitatea miezului poate fi ușor variată. Pe măsură ce concentrația de bor crește, lichidul de răcire / moderatorul absoarbe mai mulți neutroni, adăugând reactivitate negativă. Dacă concentrația de bor este redusă (diluare), se adaugă reactivitate pozitivă. Schimbarea concentrației de bor într-un PWR este un proces lent și este utilizat în principal pentru a compensa consumul de combustibil sau acumularea de otravă. Modificarea concentrației de bor minimizează utilizarea tijelor de control, rezultând un profil de curgere mai plat peste miez decât poate fi produs prin introducerea tijelor. Profilul de debit mai plat apare deoarece nu există regiuni de vid de curgere, cum ar fi în apropierea tijelor de control introduse. Acest sistem nu este utilizat pe scară largă, deoarece substanțele chimice fac ca coeficientul de temperatură al reactivității moderatorului să fie mai puțin negativ. [12] Adică, odată cu creșterea temperaturii, reactivitatea scade într-o măsură mai mică. [11]

Otravurile solubile sunt utilizate și în sistemele de oprire de urgență. În timpul SCRAM sau „oprirea forțată”, operatorii pot injecta soluții care conțin otrăvuri neutronice direct în lichidul de răcire din reactor. Sunt utilizate diverse soluții, inclusiv poliborat de sodiu și azotat de gadolinium (Gd (NO 3 ) 3 xH 2 O). [12]

Notă

  1. ^ Otravă nucleară (sau otravă cu neutroni) , la Comitetul de Reglementare Nucleară al Statelor Unite . Adus la 8 aprilie 2011 .
  2. ^ Kruglov, AK Istoria industriei atomice sovietice , Taylor & Francis, 2002, p. 57. ISBN 0-415-26970-9
  3. ^ Samuel Glasstone, Alex Sesonske. Ingeniería de reactores nucleares , Editorial Reverté, 1990, p. 290. ISBN 84-291-4035-2
  4. ^ Manual DOE, pp. 35–42.
  5. ^ Manual DOE, pp. 43–47.
  6. ^ Liviu Popa-Simil, Avantajele combustibililor fără otrăvuri , pe inspi.ufl.edu , Space Nuclear Conference 2007, 2007. URL accesat la 27 septembrie 2007 (arhivat din original la 2 martie 2008) .
  7. ^ Tabelul B-3: Secțiuni transversale de captare a neutronilor termici și integrale de rezonanță - Date nucleare ale produsului de fisiune Arhivat 6 iulie 2011 la Internet Archive .
  8. ^ Evoluția secțiunilor transversale ale produselor de fisiune Arhivat 2 ianuarie 2009 la Internet Archive .
  9. ^ AA Dudnikov, AA Sedov, RBEC-M Calcule comparative ale reactorului rapid răcit cu plumb-bismut ( PDF ) [ link rupt ] , pe iaea.org , Agenția Internațională pentru Energie Atomică .
  10. ^ Energía nuclear , volumul 18. Junta de Energía Nuclear. 1974. p. 150
  11. ^ a b Donald G. Fink. Manual practic de electricitate pentru ingineri . Editorial Reverté, 1981. ISBN 84-291-3026-8 . pp. 9-10
  12. ^ a b c Manualul DOE, p. 31.
  13. ^ Manual DOE, p. 32.

Bibliografie

Alte proiecte

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Veleno_neutronico&oldid=106807571 ”