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

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 λ_IN_I и распадается λ_XeN_Xe ядер ¹³⁵Xe. Если активность ¹³⁵I больше активности ¹³⁵Xe (λ_IN_I > λ_XeN_Xe), то концентрация ¹³⁵Xe в активной зоне растёт, и наоборот.

Равновесная концентрация иода-135 N_0I в работающем реакторе пропорциональна величине φ, в то время как равновесная концентрация ксенона-135 N_0Xe мало зависит от неё при φ > 10¹⁷ нейтр./(м²·с). Вследствие этого, при плотности потока φ > 10¹⁷ нейтр./(м²·с) величина N_0I становится больше N_0Xe. Так как постоянная распада λ_I > λ_Xe, то в некотором интервале времени после остановки реактора λ_IN_I > λ_XeN_Xe. 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.

Зависимость концентрации ¹³⁵Xe (1) и реактивности (2) после остановки реактора. (До остановки реактора плотность потока нейтронов была φ = 10¹⁸ нейтр./(м²·с).)

На рисунке показано изменение концентрации N_Xe(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

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

Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. — М.: Атомиздат, 1960.
Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. — 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.

Примечания

↑ 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.

[nubase-1] 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.

[1]