Poço de iodo - Iodine pit
O poço de iodo , também chamado de buraco de iodo ou poço de xenônio , é uma desativação temporária de um reator nuclear devido ao acúmulo de venenos nucleares de vida curta no núcleo do reator . O isótopo principal responsável é o 135 Xe , produzida principalmente por naturais decaimento de 135 I . 135 I é um absorvedor de nêutrons fraco , enquanto 135 Xe é o absorvedor de nêutrons conhecido mais forte. Quando 135 Xe se acumula nas barras de combustível de um reator, ele reduz significativamente sua reatividade , absorvendo uma quantidade significativa de nêutrons que fornecem a reação nuclear.
A presença de 135 I e 135 Xe no reator é uma das principais razões para suas flutuações de potência em reação à mudança de posições das hastes de controle .
O acúmulo de produtos de fissão de vida curta agindo como venenos nucleares é chamado de envenenamento do reator ou envenenamento por xenônio . O acúmulo de venenos de nêutrons estáveis ou de vida longa é chamado de escória do reator .
Produtos de fissão decaem e queimam
Um dos comuns produtos de fissão é 135 Te , que sofre decaimento beta com meia-vida de 19 segundos para 135 I . O próprio 135 I é um absorvedor de nêutrons fraco. Ele se acumula no reator na taxa proporcional à taxa de fissão, que é proporcional à potência térmica do reator. 135 I sofre decadência beta com meia-vida de 6,57 horas a 135 Xe . O rendimento de 135 Xe para a fissão do urânio é de 6,3%; cerca de 95% de 135 Xe se origina da decomposição de 135 I.
135 Xe é o absorvedor de nêutrons mais poderoso conhecido , com uma seção transversal para nêutrons térmicos de 2,6 x 10 6 celeiros , então ele atua como um " veneno " que pode retardar ou interromper a reação em cadeia após um período de operação. Isso foi descoberto nos primeiros reatores nucleares construídos pelo Projeto Manhattan para a produção de plutônio . Como resultado, os projetistas tomaram providências no projeto para aumentar a reatividade do reator (o número de nêutrons por fissão que vão para a fissão de outros átomos do combustível nuclear ). O envenenamento do reator 135 Xe desempenhou um papel importante no desastre de Chernobyl .
Por captura de nêutrons , 135 Xe é transformado ("queimado") em 136 Xe , que é efetivamente estável e não absorve nêutrons significativamente.
A taxa de queima é proporcional ao fluxo de nêutrons , que é proporcional à potência do reator; um reator funcionando com o dobro da potência terá o dobro da taxa de queima do xenônio. A taxa de produção também é proporcional à potência do reator, mas devido ao tempo de meia-vida de 135 I, essa taxa depende da potência média nas últimas horas.
Como resultado, um reator operando em potência constante tem uma concentração de equilíbrio de estado estacionário fixa, mas ao diminuir a potência do reator, a concentração de 135 Xe pode aumentar o suficiente para desligar efetivamente o reator. Sem nêutrons suficientes para compensar sua absorção em 135 Xe, nem para queimar o xenônio acumulado, o reator deve ser mantido em estado de desligamento por 1–2 dias até que o suficiente do 135 Xe decaia.
135 Xe beta-decai com meia-vida de 9,2 horas a 135 Cs ; um núcleo envenenado se recupera espontaneamente após várias meias-vidas. Após cerca de 3 dias de desligamento, pode-se presumir que o núcleo está livre de 135 Xe, sem que ele introduza erros nos cálculos de reatividade.
A incapacidade do reator de ser reiniciado em tal estado é chamada de partida impedida de xenônio ou queda em um poço de iodo ; a duração dessa situação é conhecida como tempo morto do xenônio , interrupção do envenenamento ou profundidade do poço de iodo . Devido ao risco de tais situações, no início da indústria nuclear soviética, muitas operações de manutenção eram realizadas em reatores em funcionamento, pois tempos de inatividade superiores a uma hora levavam ao acúmulo de xenônio que poderia manter o reator offline por um tempo significativo, reduzindo a produção de 239 Pu , exigido para armas nucleares, e levaria a investigações e punição dos operadores do reator.
Oscilações Xenon-135
A interdependência do acúmulo de 135 Xe e o fluxo de nêutrons pode levar a flutuações de potência periódicas. Em grandes reatores, com pouco acoplamento de fluxo de nêutrons entre suas regiões, não uniformidades de fluxo podem levar à formação de oscilações de xenônio , variações locais periódicas da potência do reator movendo-se através do núcleo com um período de cerca de 15 horas. Uma variação local do fluxo de nêutrons causa aumento da queima de 135 Xe e produção de 135 I, a depleção de 135 Xe aumenta a reatividade na região do núcleo. A densidade de potência local pode mudar por fator de três ou mais, enquanto a potência média do reator permanece mais ou menos inalterada. Um forte coeficiente de reatividade de temperatura negativa causa amortecimento dessas oscilações e é um recurso de projeto de reator desejado.
Comportamento do poço de iodo
A reatividade do reator após o desligamento primeiro diminui, depois aumenta novamente, tendo a forma de um poço; isso deu ao "caroço de iodo" seu nome. O grau de envenenamento, a profundidade do fosso e a duração correspondente da interrupção dependem do fluxo de nêutrons antes do desligamento. O comportamento do poço de iodo não é observado em reatores com densidade de fluxo de nêutrons abaixo de 5 × 10 16 nêutrons m −2 s −1 , pois o 135 Xe é removido principalmente por decaimento em vez de captura de nêutrons. Como a reserva de reatividade do núcleo é geralmente limitada a 10% de Dk / k, os reatores de energia térmica tendem a usar fluxo de nêutrons no máximo cerca de 5 × 10 13 nêutrons m -2 s -1 para evitar problemas de reinicialização após desligamento.
As mudanças de concentração de 135 Xe no núcleo do reator após seu desligamento são determinadas pelo histórico de energia de curto prazo do reator (que determina as concentrações iniciais de 135 I e 135 Xe) e, em seguida, pelas diferenças de meia-vida dos isótopos governando as taxas de sua produção e remoção; se a atividade de 135 I for maior do que a atividade de 135 Xe, a concentração de 135 Xe aumentará e vice-versa.
Durante a operação do reator em um determinado nível de potência, um equilíbrio secular é estabelecido dentro de 40-50 horas, quando a taxa de produção de iodo-135, sua decadência para xenônio-135 e sua queima para xenônio-136 e decadência para césio-135 são mantendo a quantidade de xenônio 135 constante no reator em um determinado nível de potência.
A concentração de equilíbrio de 135 I é proporcional ao fluxo de nêutrons φ. A concentração de equilíbrio de 135 Xe, entretanto, depende muito pouco do fluxo de nêutrons para φ> 10 17 nêutrons m −2 s −1 .
O aumento da potência do reator, e o aumento do fluxo de nêutrons, causa um aumento na produção de 135 I e no consumo de 135 Xe. No início, a concentração de xenônio diminui, depois aumenta lentamente novamente para um novo nível de equilíbrio, pois agora o excesso de 135 I decai. Durante aumentos típicos de energia de 50 a 100%, a concentração de 135 Xe cai por cerca de 3 horas.
A redução da potência do reator reduz a produção de 135 I novo , mas também reduz a taxa de queima de 135 Xe. Por um tempo, 135 Xe se acumula, governado pela quantidade de 135 I disponível , então sua concentração diminui novamente para um equilíbrio para o dado nível de potência do reator. A concentração máxima de 135 Xe ocorre após cerca de 11,1 horas após a diminuição da potência e o equilíbrio é alcançado após cerca de 50 horas. Um desligamento total do reator é um caso extremo de redução de energia.
Precauções de design
Se autoridade de controle de reatividade suficiente estiver disponível, o reator pode ser reiniciado, mas um transiente de queima de xenônio deve ser cuidadosamente gerenciado. Conforme as hastes de controle são extraídas e a criticidade é atingida, o fluxo de nêutrons aumenta em muitas ordens de magnitude e o 135 Xe começa a absorver nêutrons e a ser transmutado em 136 Xe. O reator queima o veneno nuclear. À medida que isso acontece, a reatividade aumenta e as hastes de controle devem ser reinseridas gradualmente ou a potência do reator aumentará. A constante de tempo para esse transiente de queima depende do projeto do reator, do histórico do nível de potência do reator nos últimos dias (portanto, as concentrações de 135 Xe e 135 I presentes) e da nova configuração de energia. Para um aumento típico de 50% de potência para 100% de potência, a concentração de 135 Xe cai por cerca de 3 horas.
A primeira vez que o envenenamento por 135 Xe de um reator nuclear ocorreu em 28 de setembro de 1944 na pilha 100-B no local de Hanford. O Reator B era um reator de produção de plutônio construído pela DuPont como parte do Projeto Manhattan. O reator foi iniciado em 27 de setembro de 1944, mas a energia caiu inesperadamente logo depois, levando a um desligamento completo na noite de 28 de setembro. Na manhã seguinte, a reação recomeçou por si mesma. O físico John Archibald Wheeler , que na época trabalhava para a DuPont, junto com Enrico Fermi , conseguiu identificar que a queda no fluxo de nêutrons e o conseqüente desligamento foram causados pelo acúmulo de 135 Xe no combustível do reator. Felizmente, o reator foi construído com canais de combustível sobressalentes que foram usados para aumentar os níveis operacionais normais do reator, aumentando assim a taxa de queima do 135 Xe acumulado .
Reatores com grandes dimensões físicas, por exemplo, o tipo RBMK , podem desenvolver não uniformidades significativas de concentração de xenônio através do núcleo. O controle de tais núcleos envenenados não homogeneamente, especialmente em baixa potência, é um problema desafiador. O desastre de Chernobyl resultou de uma tentativa de recuperar o Reator 4 de um estado de envenenamento não uniforme. O reator estava funcionando com níveis de energia muito baixos em uma preparação para um teste, a ser seguido por um desligamento programado. Pouco antes do teste, a potência caiu devido ao acúmulo de 135 Xe como resultado da baixa taxa de queima em baixa potência. Os operadores, sem saber da condição, retiraram todas as hastes de controle, exceto 6, na tentativa de aumentar a energia. Isso foi seguido por uma cadeia de outros erros, causando um pico de energia que levou à explosão e destruição do reator 4.
O efeito do caroço de iodo deve ser levado em consideração nos projetos de reatores. Altos valores de densidade de potência , levando a altas taxas de produção de produtos de fissão e, portanto, maiores concentrações de iodo, requerem maior quantidade e enriquecimento do combustível nuclear usado para compensar. Sem esta reserva de reatividade, um desligamento do reator impediria seu reinício por várias dezenas de horas até que 135 I / 135 Xe decaia suficientemente, especialmente pouco antes da substituição do combustível usado (com alta queima e venenos nucleares acumulados ) por um novo.
Reatores de fluido de combustível não podem desenvolver não homogeneidade de xenônio porque o combustível é livre para se misturar. Além disso, o experimento do reator de sal fundido demonstrou que borrifar o combustível líquido como gotículas através de um espaço de gás durante a recirculação pode permitir que o xenônio e o criptônio deixem os sais do combustível. A remoção de 135 Xe da exposição a nêutrons também significa que o reator produzirá mais do produto de fissão de vida longa 135 Cs .
Referências
- CR Nave. "Envenenamento por Xenon" . HyperPhysics . Georgia State University . Página visitada em 2013-03-12 .
- Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. - М .: Атомиздат, 1960.
- Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. - М .: Атомиздат, 1979.