En nøytron-gift (også kalt en “ nøytronabsorberer ” eller “nuclear gift”) er en substans med en stor nøytron absorpsjonsseksjonen , og som derfor har en betydelig innvirkning på nøytronbalanse av en atomreaktor .
I atomreaktorer har absorpsjonen av nøytroner en særlig forgiftende effekt på reaktoren . Denne forgiftningen skyldes hovedsakelig fangst av nøytroner med fisjonsprodukter med kort halveringstid, den viktigste er xenon 135, eller av fisjonsprodukter med lengre eller stabil halveringstid, som samarium 149 og gadolinium 157 .
Mer spesifikt betegner begrepet " nøytronabsorber" også elementer som bare absorberer nøytroner, uten annen transmutasjon eller indusert radioaktivitet . Dette ekskluderer fissile og fruktbare isotoper , så vel som de som overføres til radioaktive isotoper . Disse nøytronabsorberende materialene, også kalt giftstoffer, introduseres med vilje i visse typer reaktorer for å redusere den høye reaktiviteten til det ferske drivstoffet. Slike elementer kan typisk anvendes som bestanddeler i reaktoren styrestenger, De kan også brukes som en strålebeskyttelsesbarriere .
Noen av disse giftstoffene, kjent som “forbruksgifter”, blir utmattet når de absorberer nøytroner under reaktorens drift, noe som gjør det mulig å kompensere for reaksjonsvariasjonen til reaktoren med dens forbrenningshastighet . Andre forblir relativt konstante og tjener til å standardisere nøytronstrømmen i reaktoren.
Atomer som dannes under fisjon, er alle i overkant av nøytroner sammenlignet med stabilitetsdalen, så de fanger få nøytroner. Noen av fisjonsproduktene som genereres under kjernefysiske reaksjoner har imidlertid en sterk nøytronabsorpsjonskapasitet, som xenon 135 (tverrsnitt σ = 2.650.000 b ( fjøs ) og samarium -149 (σ = 40.140 b) Fordi disse to giftige fisjonsproduktene fratar reaktor av nøytroner, vil de ha innvirkning på reaktivitet.
Forgiftningen av disse produktene kan bli slik at kjedereaksjonen ikke kan opprettholdes mens den holder seg innenfor det autoriserte driftsområdet til reaktoren. Xenonforgiftning er særlig en av faktorene som førte til Tsjernobyl-ulykken .
XenonforgiftningSpesielt xenon-135 har stor innvirkning på driften av en atomreaktor. Dynamikken til xenonforgiftning utgjør en viktig variasjon i reaktiviteten til kjernen, som er av største betydning for stabiliteten til strømmen og den geometriske fordelingen av kraften, spesielt i store reaktorer.
ellerI løpet av den første perioden på 4 til 6 timer etter regimeskiftet, avhenger størrelsen og hastigheten på konsentrasjonsendringene av det opprinnelige effektnivået og endringen i kraftnivået. Jo større endring i kraftnivå, jo større er variasjonen i konsentrasjonen av xenon-135. Etter noen timer når konsentrasjonen av xenon et minimum, og når jodmengden har økt tilstrekkelig, øker xenon deretter etter tur. I perioder med steady-state-drift, på et konstant nivå av nøytronstrøm , når konsentrasjonen av xenon-135 sin likevektsverdi på omtrent 40 til 50 timer.
Når reaktoren starter, er det i utgangspunktet ikke noe xenon-135, som bare vises etter noen timer. Med økningen i xenonkonsentrasjonen mister reaktoren reaktiviteten, noe som kan føre til at den stenges hvis den ikke har tilstrekkelig reserve for reaktivitet.
Hvis reaktorens effekt økes etter en kjøretid, forblir produksjonen av xenon-135 opprinnelig konstant, fordi 95% av xenon-135 kommer fra forfallet av jod 135 , som har en halveringstid på 6, 58 timer . På den annen side avtar konsentrasjonen av xenon-135 først, fordi nedbrytningshastigheten øker med reaktorens kraft. Ettersom xenon-135 er en nøytrongift, øker konsentrasjonsfallet hjertets reaktivitet, og derfor kraften: avviket har en tendens til å være ustabilt, og må kompenseres av kontrollstengene.
Når reaktorens effekt reduseres, blir prosessen reversert. Som før forårsaker reduksjonen i kraft en oppbygging av nøytronabsorberende xenon, som har en tendens til å redusere effekten enda mer. Dette tapet av reaktivitet (som når et maksimum etter ca. 10 timer etter at reaktoren er slått av) blir betegnet som "xenonforgiftning" og kan føre til at reaktoren ikke kan startes på nytt, eller holdes i drift ved lav effekt. Dette er spesielt tilfelle når reaktoren er slått av. Tidsperioden der reaktoren ikke klarer å overvinne effekten av xenon 135 , kalles xenon dead eller giftfeilforsinkelse .
SamariumforgiftningDen samarium-149 er en forholdsvis stor fisjonsprodukter som vises i nedbrytningskjeden av neodym 149 og har en stor innfangningstverrsnitt for langsomme nøytroner og dermed en forgiftning effekt. Imidlertid presenterer det et problem som er litt annerledes enn det som oppstod med xenon 135 . Faktisk, hvis neodymet 149> prometium 149> samarium 149 forfallskjeder på den ene siden, og tellurium 135> jod 135> xenon 135 på den annen side, stort sett er like, bør tre forskjeller bemerkes:
Imidlertid er mengden prometium 149 ved likevekt større enn den for jod 135
Produksjonen på 149 Pm er proporsjonal med nøytronstrømmen ; produksjonen av Sm-149 er proporsjonal med mengden av 149 pm til stede; forbruket av 149 Sm er også proporsjonalt med strømmen; konsentrasjonen av 149 Sm ved likevekt er derfor uavhengig av strømmen. Når reaktoren er i drift, når konsentrasjonen (og derfor forgiftningseffekten) likevektsverdien på omtrent 500 timer (dvs. omtrent tre uker). Når reaktoren er slått av, slutter imidlertid samariumet å konsumeres, og eventuelt prometium-149 produsert oppstrøms (proporsjonalt med strømmen) blir til samarium. For en innledende strømning på 3,2 × 10 13 n / cm 2 / s som er typisk for en trykkvannsreaktor, er forgiftning fra samarium etter langvarig drift med stabil effekt ca. Den ekstra antireaktivitet som tilveiebringes ved oppløsningen av prometium-149 etter stopp er i størrelsesorden 500 pcm; dette tapet er proporsjonalt med fluksen, og kan ha høyere verdier i tilfelle en høy fluksreaktor.
Reaktoren må være utformet slik at den har tilstrekkelig reaktivitetsmargin (fjerning av kontrollstavene eller fortynning av løselig gift) for å kunne kunne startes på nytt uten problemer etter en avstengning som fortsatt kan være nødvendig uventet. Forsinkelsen tilveiebrakt ved forfallet av prometium-149 (mer enn 72 timer) kan tillate en mellomstart, men forfallet av xenon 135 som oppstår i mellomtiden etter ca. 24 timer gir i praksis en større gevinst i reaktivitet enn tap pga. samarium 149.
GadoliniumforgiftningEn annen problematisk isotop som akkumuleres er gadolinium 157 , med et mikroskopisk tverrsnitt på σ = 254.000 b. Produksjonen ved fisjon (utbytte nær 0,004%) er imidlertid mer enn tusen ganger lavere enn for jod 135 (utbytte på 6,4% + 0,4%). Verdien av konsentrasjonen ved likevekt er lik: den er uavhengig av strømmen og er lik 1,55 × 10 13 ved / cm 3 i en PWR 900MWe-kjerne. Det tilsvarende makroskopiske tverrsnittet er lik 3,936 × 10-6 cm -1 , en veldig lav verdi sammenlignet med det totale absorpsjonsmakroskopiske tverrsnittet som er lik 0,4040 cm- 1 . Forgiftningen uttrykt i pcm er veldig lav.
Det er mange andre fisjonsprodukter som, på grunn av deres konsentrasjon og termiske nøytronabsorpsjon, har en skadelig effekt på driften av reaktorer. Individuelt har de liten betydning, men samlet har de en betydelig innvirkning. De blir ofte karakterisert som giftige fisjonsprodukter. De akkumuleres med en gjennomsnittlig hastighet på 50 fjøs per oppløsning i reaktoren. Akkumulering av giftige fisjonsprodukter i drivstoffet fører til tap av effektivitet, og i noen tilfeller til ustabilitet. I praksis er opphopning av giftstoffer i reaktorens kjernefysiske drivstoff det som bestemmer levetiden til kjernefysisk drivstoff i en reaktor: lenge før alle mulige splittelser har funnet sted, er oppbyggingen av langlivede fisjonsprodukter livabsorberende nøytroner demper kjedereaksjonen. Dette er grunnen til at opparbeiding av kjernefysisk avfall er nyttig: brukt fast kjernebrensel inneholder omtrent 97% av det fissile materialet som er tilstede i nyprodusert originalt kjernebrensel. Den kjemiske separasjonen av fisjonsproduktene gjenoppretter kvaliteten på drivstoffet slik at det kan brukes igjen.
Andre tilnærminger er mulig for å fjerne fisjonsproduktene, spesielt ved å bruke porøst fast brensel som tillater fisjonsproduktene å lekke eller flytende eller gassformig drivstoff ( smeltet saltreaktor , vandig homogen reaktor ). Dette reduserer problemet med akkumulering av fisjonsprodukter i drivstoffet, men gir ytterligere problemer med sikker fjerning og lagring av fisjonsproduktene.
De andre fisjonsproduktene med relativt høye absorpsjonsseksjoner er 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm. Over denne massen har mange isotoper med jevne massetall absorpsjonsseksjoner, slik at en kjerne kan absorbere flere nøytroner i serie. Tung aktinidfisjon produserer flere tunge fisjonsprodukter i lantanidområdet, så det totale nøytronabsorpsjonstverrsnittet av fisjonsproduktene er høyere.
I en rask nøytronreaktor kan situasjonen for giftfisjoneringsprodukter variere betydelig fordi nøytronabsorpsjonstverrsnittene kan variere for termiske nøytroner og raske nøytroner . I RBEC-M reaktor , en bly-bismuth- avkjølt hurtigreaktor ). Fisjonsproduktene klassifisert etter nøytronfangst (representerer mer enn 5% av de totale fisjonsproduktene), i rekkefølge: 133 Cs, 101 Ru, 103 Rh, 99 Tc, 105 Pd og 107 Pd i kjernen , med 149Sm som erstatning den 107 Pd på 6 th plass i den fruktbare teppe.
I tillegg til giftige fisjonsprodukter, forfaller andre materialer i reaktorer til materialer som fungerer som nøytrongift. Et eksempel på dette er forfallet av tritium til helium 3 . Ettersom tritium har en halveringstid på 12,3 år, bør dette forfallet normalt ikke påvirke reaktordriften betydelig, siden tritiums forfallshastighet er langsom. Imidlertid, hvis tritium produseres i en reaktor og deretter blir værende i reaktoren i en lengre nedstengning på flere måneder, kan en tilstrekkelig mengde tritium brytes ned i helium-3 og påvirke reaktiviteten negativt. Alt helium-3 produsert i reaktoren i løpet av en avstengningsperiode vil bli fjernet under påfølgende drift ved en nøytron-protonreaksjon.
Når en reaktor må operere i en lang periode (syklus på rundt 18 måneder i franske PWRer ), blir en første mengde drivstoff, større enn det som er nødvendig for å oppnå den nøyaktige kritiske massen , lastet inn i reaktoren. Under drift reduseres denne mengden drivstoff som ligger i kjernen monotont når den forbrukes. Den positive tilbakemeldingen på grunn av overflødig drivstoff ved starten av syklusen må derfor balanseres med negativ tilbakemelding ved å tilsette et nøytronabsorberende materiale.
Bruk av bevegelige kontrollstenger som inneholder nøytronabsorberende materiale er en metode, men å kontrollere overflødig reaktivitet av reaktoren via bare kontrollstengene kan være vanskelig for noen spesielle design, da det kanskje ikke er nok plass til stengene eller deres mekanismer, men fremfor alt fordi denne typen kontroll (ved stolpene) forårsaker en deformasjon av reaktorens strømning som kan generere varme flekker i kjernen. Dette er grunnen til at det i PWRs er foretrukket å kontrollere denne overskytende reaktiviteten, som er tilstede etter påfylling, med utgangspunkt i en maksimal konsentrasjon av løselig bor ved starten av syklusen, og deretter redusere denne konsentrasjonen i henhold til utmattingen av drivstoffet til neste omlasting. .
For å kontrollere reaktiviteten på grunn av store mengder overskudd drivstoff uten kontrollstenger, blir forbrukbare giftstoffer lastet inn i kjernen. Forbruksgifter er materialer som har et høyt nøytronabsorpsjonstverrsnitt og transformeres til materialer med et relativt lavt absorpsjonstverrsnitt ved absorpsjon av nøytroner. På grunn av utarmingen av giften, reduseres den negative reaktiviteten på grunn av den forbrukbare giften i løpet av hjertets liv. Ideelt sett bør den negative reaktiviteten til disse giftstoffene reduseres i samme hastighet som overskuddsreaktiviteten til drivstoffet når det tømmes. I tillegg er det ønskelig at den forbrukbare giften transformeres til en ikke-absorberende isotop av det samme kjemiske elementet for å begrense forstyrrelser i materialet. De mest brukte brennbare giftstoffene er bor eller gadoliniumforbindelser . De danner et nettverk av stenger eller plater, eller tilsettes som tilleggselementer i drivstoffet. Siden de vanligvis kan fordeles jevnere enn kontrollstenger, forstyrrer disse giftene fordelingen av energi i hjertet mindre. Brennbar gift kan også lastes lokalt i bestemte områder av kjernen for å forme formen eller kontrollere fordelingen av nøytronstrøm og dermed forhindre overdreven fluks og lokal energitopp i visse områder av reaktoren. Den nåværende praksisen er imidlertid å bruke gift som ikke er forbrukbare til dette spesielle formålet.
En ikke-brennbar gift er en som opprettholder en konstant negativ reaktivitetsverdi over hjertets liv. Selv om ingen nøytrongift er strengt ikke-brennbare, kan noen materialer betraktes som ikke-brennbare giftstoffer under visse forhold. Et eksempel er hafnium. Fjerningen (ved nøytronabsorpsjon) av en isotop av hafnium fører til produksjon av en annen nøytronabsorber, og fortsetter på en kjede på fem absorbere. Denne absorpsjonskjeden fører til at giftet, selv om det er brennbart, oppfører seg som en langvarig gift, som kan betraktes som ikke-brennbar. Denne typen gift er spesielt interessant for nødkontrollstenger som må opprettholde konstant effektivitet over hjertets liv.
Løselige giftstoffer produserer jevn nøytronabsorpsjon i rommet når de er oppløst i kjølevæsken til en atomreaktor.
Den vanligste løselige giften i trykkvannsreaktorer (PWRs) er borsyre , som ofte omtales som løselig bor , eller bare Solbor . Borsyre i kjølevæsken absorberer nøytroner, noe som får reaktiviteten til å avta. Ved å variere denne borsyrekonsentrasjonen, en prosess som kalles borisering / fortynning, varierer hjertets reaktivitet: når borkonsentrasjonen økes (ved borisering), absorberes flere nøytroner som reduserer reaktiviteten; omvendt, når borkonsentrasjonen reduseres (ved fortynning), øker reaktiviteten.
Utviklingen av borkonsentrasjonen i en PWR er en langsom prosess og brukes hovedsakelig på den ene siden for å kompensere for utmattingen av drivstoffet eller akkumuleringen av gift, men også for å kompensere for xenonforgiftning. variasjoner.
I PWR er borinnholdet oppløst i primærvannet etter lading, så vel som maksimumsverdiene for å sette inn reaktorkontrollstengene imidlertid begrenset av økningen i moderatorens temperaturkoeffisient, som må forbli stort sett negativ. (Sikkerhetsmargin ). Ekspansjonen av vannet med temperaturen fører til en utdrivelse ut av kjernen i en mengde bor desto større da innholdet er høyt kan gå, om ikke før modereringstemperaturkoeffisienten er positiv, men i det minste risikere å redusere sikkerhetsmarginen for noen nye kjerner.
Løselige giftstoffer brukes også i nødstoppsystemer via sikkerhetsinjeksjon som er ment å oversvømme hjertet i en ulykkessituasjon. I slike situasjoner kan de automatiske systemene, deretter operatørene, injisere løsninger som inneholder nøytrongift direkte i reaktorkjølevæsken. Forskjellige løsninger, inkludert natriumpolyborat og gadoliniumnitrat (Gd (NO3) 3 · xH2O), brukes.
Verdiene gitt nedenfor av tverrsnitt av nøytronabsorpsjon (i fjøs) refererer til nøytroner med en veldig spesiell energi, ifølge den vurderte applikasjonen.