Xenon-135 - Xenon-135

Xenon-135,  135 Xe
Em geral
Símbolo 135 Xe
Nomes xenon-135, Xe-135
Prótons 54
Nêutrons 81
Dados de nuclídeos
Abundância natural syn
Meia-vida 9,14 ± 0,02 h
Produtos decadentes 135 Cs
Rodar 3/2 +
Excesso de energia -86413 ± 4 keV
Energia de ligação 8398,476 ± 0,028 keV
Modos de deterioração
Modo de decaimento Energia de decaimento ( MeV )
Decadência beta 1,168
Isótopos de xenônio
Tabela completa de nuclídeos

O xenônio-135 ( 135 Xe ) é um isótopo instável do xenônio com meia-vida de cerca de 9,2 horas. 135 Xe é um produto da fissão do urânio e é o veneno nuclear absorvedor de nêutrons mais poderoso conhecido (2 milhões de celeiros ; até 3 milhões de celeiros sob condições de reator), com um efeito significativo na operação do reator nuclear . O rendimento final de xenônio-135 da fissão é de 6,3%, embora a maior parte disso seja do telúrio-135 e do iodo-135 produzidos pela fissão .

135 Efeitos Xe na reinicialização do reator

Em um reator nuclear típico alimentado com urânio-235 , a presença de 135 Xe como um produto de fissão apresenta os projetistas e operadores com problemas devido à sua grande seção transversal de nêutrons para absorção. Como a absorção de nêutrons pode afetar negativamente a capacidade de um reator nuclear de aumentar a potência, os reatores são projetados para mitigar esse efeito; os operadores são treinados para antecipar e reagir adequadamente a esses transientes. Na verdade, durante a Segunda Guerra Mundial, Enrico Fermi suspeitou do efeito do Xe-135 e seguiu o conselho de Emilio Segrè ao entrar em contato com seu aluno Chien-Shiung Wu . O artigo de Wu a ser publicado em breve sobre o Xe-135 verificou completamente a suposição de Fermi de que ele absorveu nêutrons e interrompeu o Reator B que estava sendo usado em seu projeto.

Durante os períodos de operação em estado estacionário em um nível de fluxo de nêutrons constante , a concentração de 135 Xe atinge seu valor de equilíbrio para a potência do reator em cerca de 40 a 50 horas. Quando a potência do reator é aumentada, a concentração de 135 Xe diminui inicialmente porque a queima é aumentada no novo nível de potência mais alto. Como 95% da produção de 135 Xe é decorrente da decomposição do iodo-135 , que tem meia-vida de 6,57 horas, a produção de 135 Xe permanece constante; neste ponto, a concentração de 135 Xe atinge o mínimo. A concentração então aumenta para o novo nível de equilíbrio (mais precisamente o nível de estado estacionário) para o novo nível de potência em aproximadamente 40 a 50 horas. Durante as 4 a 6 horas iniciais após a mudança de potência, a magnitude e a taxa de mudança de concentração dependem do nível de potência inicial e da quantidade de mudança no nível de potência; a mudança de concentração 135 Xe é maior para uma mudança maior no nível de potência. Quando a potência do reator é reduzida, o processo é revertido.

O iodo-135 é um produto da fissão do urânio com um rendimento de cerca de 6% (contando também o iodo-135 produzido quase imediatamente pela decomposição do telúrio-135 produzido pela fissão). Este 135 I decai com uma meia-vida de 6,57 horas para 135 Xe. Assim, em um reator nuclear em operação, 135 Xe está sendo produzido continuamente. 135 Xe tem uma seção transversal de absorção de nêutrons muito grande, portanto, no ambiente de alto fluxo de nêutrons de um núcleo de reator nuclear, o 135 Xe logo absorve um nêutron e se torna 136 Xe quase estável . Assim, em cerca de 50 horas, a concentração de 135 Xe atinge o equilíbrio onde sua criação pelo decaimento de 135 I é equilibrada com sua destruição por absorção de nêutrons.

Quando a potência do reator é diminuída ou desligada pela inserção de hastes de controle de absorção de nêutrons, o fluxo de nêutrons do reator é reduzido e o equilíbrio muda inicialmente para uma concentração maior de 135 Xe. A concentração de 135 Xe atinge o pico cerca de 11,1 horas após a redução da potência do reator. Como o 135 Xe tem uma meia-vida de 9,2 horas, a concentração de 135 Xe decai gradualmente de volta para níveis baixos ao longo de 72 horas.

O nível temporariamente alto de 135 Xe com sua seção transversal de alta absorção de nêutrons torna difícil reiniciar o reator por várias horas. O 135 Xe de absorção de nêutrons atua como uma haste de controle, reduzindo a reatividade. A incapacidade de um reator ser iniciado devido aos efeitos de 135 Xe é algumas vezes referida como inicialização impedida de xenônio, e o reator é considerado "envenenado". O período de tempo que o reator é incapaz de superar os efeitos do 135 Xe é chamado de "tempo morto do xenônio".

Se autoridade de controle de reatividade suficiente estiver disponível, o reator pode ser reiniciado, mas o transiente de queima de xenônio deve ser gerenciado com cuidado. Conforme as hastes de controle são extraídas e a criticidade é alcançada, 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. Quando isso acontece, a reatividade e o fluxo de nêutrons aumentam, e as hastes de controle devem ser reinseridas gradualmente para conter a perda de absorção de nêutrons pelo 135 Xe. Caso contrário, o fluxo de nêutrons do reator continuará a aumentar, queimando ainda mais veneno de xenônio, em um caminho para a criticidade descontrolada . 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 e da nova configuração de potência. Para um aumento típico de 50% da potência para 100% da potência, a concentração de 135 Xe cai por cerca de 3 horas.

O envenenamento por xenon foi um fator que contribuiu para o desastre de Chernobyl ; durante uma redução para uma potência inferior, uma combinação de erro do operador e envenenamento por xenônio fez com que a energia térmica do reator caísse para níveis próximos ao desligamento. Os esforços resultantes da tripulação para restaurar a energia colocaram o reator em uma configuração altamente insegura. Uma falha no sistema SCRAM inseriu reatividade positiva, causando um transiente térmico e uma explosão de vapor que destruiu o reator.

Reatores usando reprocessamento contínuo como muitos projetos de reatores de sal fundido podem ser capazes de extrair 135 Xe do combustível e evitar esses efeitos. 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. No entanto, a remoção do xenônio-135 da exposição aos nêutrons também faz com que o reator produza mais do césio-135, produto de fissão de longa duração .

Decadência e captura de produtos

Um átomo de 135 Xe que não captura um nêutron sofre decaimento beta para 135 Cs , um dos 7 produtos de fissão de vida longa , enquanto um 135 Xe que captura um nêutron torna-se 136 Xe quase estável .

A probabilidade de capturar um nêutron antes do decaimento varia com o fluxo de nêutrons, que por sua vez depende do tipo de reator, enriquecimento de combustível e nível de potência; e a razão 135 Cs / 136 Xe muda sua ramificação predominante muito perto das condições usuais do reator. As estimativas da proporção de 135 Xe durante a operação do reator em estado estacionário que captura um nêutron incluem 90%, 39% -91% e "essencialmente todos". Por exemplo, em um (um pouco alto) fluxo de nêutrons de 10 14 n · cm −2 · s −1 , a seção transversal de xenônio de σ =2,65 × 10 −18 cm 2 (2,65 × 10 6 celeiro) levaria a uma probabilidade de captura de2,65 × 10 −4 s −1 , que corresponde a uma meia-vida de cerca de uma hora. Em comparação com a meia-vida de 9,17 horas do 135 Xe, essa proporção de quase dez para um significa que, sob tais condições, essencialmente todos os 135 Xe capturariam um nêutron antes do decaimento. Mas se o fluxo de nêutrons for reduzido a um décimo desse valor, como nos reatores CANDU , a proporção seria de 50-50, e metade do 135 Xe seria convertido em 135 Cs antes da captura de nêutrons.

136 Xe da captura de nêutrons acaba como parte do xenônio de fissão estável eventual que também inclui 136 Xe, 134 Xe, 132 Xe e 131 Xe produzidos por fissão e decaimento beta em vez de captura de nêutrons.

Núcleos de 133 Xe, 137 Xe e 135 Xe que não capturaram um nêutron todo beta decaem em isótopos de césio . A fissão produz 133 Xe, 137 Xe e 135 Xe em quantidades aproximadamente iguais, mas, após a captura de nêutrons, o césio da fissão contém 133 Cs mais estáveis (que, no entanto, pode se tornar 134 Cs na ativação posterior de nêutrons ) e 137 Cs altamente radioativo do que 135 Cs .

Oscilações espaciais de xenônio

Grandes reatores térmicos com acoplamento de baixo fluxo entre as regiões podem sofrer oscilações de potência espacial devido à presença não uniforme de xenônio-135. As oscilações de potência espacial induzidas por xenônio ocorrem como resultado de perturbações rápidas na distribuição de potência que fazem com que a distribuição de xenônio e iodo fique fora de fase com a distribuição de potência perturbada. Isso resulta em uma mudança nas distribuições de xenônio e iodo que faz com que a distribuição de energia mude na direção oposta da perturbação inicial.

A taxa de produção instantânea de xenônio-135 depende da concentração de iodo-135 e, portanto, da história do fluxo local de nêutrons. Por outro lado, a taxa de destruição do xenônio 135 depende do fluxo local instantâneo de nêutrons.

A combinação de geração retardada e alta seção transversal de captura de nêutrons produz uma diversidade de impactos na operação do reator nuclear. O mecanismo é descrito nas quatro etapas a seguir.

  1. Uma falta de simetria inicial (por exemplo, simetria axial, no caso de oscilações axiais) na distribuição de energia do núcleo (por exemplo, como resultado do movimento significativo das hastes de controle) causa um desequilíbrio nas taxas de fissão dentro do núcleo do reator e, portanto, no acúmulo de iodo-135 e na absorção de xenônio-135.
  2. Na região de alto fluxo, a queima de xenônio 135 permite que o fluxo aumente ainda mais, enquanto na região de baixo fluxo, o aumento do xenônio 135 causa uma redução adicional no fluxo. A concentração de iodo aumenta onde o fluxo é alto e diminui onde o fluxo é baixo. Esta mudança na distribuição do xenônio é tal que aumenta (diminui) as propriedades de multiplicação da região na qual o fluxo aumentou (diminuiu), aumentando assim a inclinação do fluxo.
  3. Assim que os níveis de iodo-135 aumentam o suficiente, a degradação para o xenônio reverte a situação inicial. O fluxo diminui nesta área, e a antiga região de baixo fluxo aumenta em potência.
  4. A repetição desses padrões pode levar a oscilações de xenônio movendo-se sobre o núcleo com períodos da ordem de 24 horas.

Com pouca mudança no nível de potência geral, essas oscilações podem alterar significativamente os níveis de potência locais. Esta oscilação pode passar despercebida e atingir níveis perigosos de fluxo local se apenas a potência total do núcleo for monitorada. Portanto, a maioria dos PWRs usa detectores de nêutrons excore de faixa de potência em tandem para monitorar as metades superior e inferior do núcleo separadamente.

Veja também

Referências

Leitura adicional