基本介紹
- 中文名：裂變毒物
- 外文名：fission poison
- 裂變毒物：135Xe、149Sm、151Sm、113Cd等
- 特點：具有相當大的熱中子吸收截面
- 中毒現象：氙毒效應、碘坑、氙致功率振盪
- 領域：裂變反應
簡介,裂變反應,中毒效應,裂變產物毒性,135Xe裂變毒物產生,平衡氙毒,碘坑,氙致功率振盪,
簡介
中子與可裂變物質作用發生裂變反應時，可裂變物質的原子核一般分裂成兩個中等質量數的核，稱為裂變碎片，並發射出中子和其他放射性射線。這些裂變碎片幾乎都有過大的中子一質子比，經過一系列β衰變後，轉變為許多種穩定核。裂變碎片及其衰變產物統稱裂變產物。某些裂變產物吸收中子所引起的反應性虧損。裂變產物中有些元素核，如135Xe，149Sm，151Sm，113Cd，155Gd和157Gd等，具有相當大的熱中子吸收截面，其中Xe和Sm吸收熱中子尤為強烈。在反應堆內，它們消耗堆內中子，對反應堆有效增殖性造成不利影響，故把這些中子吸收截面大的裂變產物視作“毒素”。
裂變反應
一個重原子核分裂為兩個質量相近的較輕原子核(裂塊)，同時還可能放出中子的過程(也有分裂為更多裂塊的情形，但幾率很小)。有自發裂變和感生裂變兩種，自發裂變是重核不穩定性的一種表現，其裂變半衰期一般很長，如鈾238自發裂變的半衰期為1016年。感生裂變是重核在受到中子、帶電粒子或光子的轟擊時立即發生的裂變。例如鈾235在受到熱中子轟擊時發生裂變，同時釋放出2—3箇中子和巨大的能量。1個鈾原子核分裂為兩個中等核時要放出2億電子伏特能量；1公斤鈾中大約有
個鈾原子核，它們全部裂變後所放出的能量約為
千卡，這相當於2萬噸TNT炸藥爆炸時所放出的能量。當一個中子轟擊鈾核，使之分裂放出巨大能量的同時，可釋放出2—3個新的中子，這2—3個新中子作為“炮彈”對鈾核進行轟擊，又可使2—3個鈾核分裂，放出4—9個更新的中子，這些中子又引起別的鈾核分裂……。這樣一代一代進行下去，產生的中子越來越多，被分裂的鈾核也越來越多，因此，在很短的瞬間就有大量的核發生裂變，釋放出驚人的能量來。這種連續不斷的裂變反應叫做鏈式反應。核子彈就是根據這種鏈式裂變反應原理設計的。除了鈾235外，鈽239和鈾223在中子作用下，也容易發生裂變反應。
中毒效應
全稱“反應性的毒渣效應”，亦稱“氙毒效應”。指裂變產物及其衰變物對反應性的影響。穩定或長壽命的裂變產物稱“結渣”，短壽命的稱“毒物”；前者主要指釤(Sm)，後者主要指氙(Xe)。因毒渣中氙135熱中子吸收截面大，大約為3.5×10×10cm(中子能量為0.084eV時)；產額高，約占裂變產物總量的6%左右，故中毒效應主要指氙135濃度變化對反應性的影響。通常，由碲135(Te) 衰變而成的氙135約占總裂變產物的5.6%，裂變直接產生的占0.3% 左右。氙135通過吸收中子和自身衰變而消失。反應堆起動後約30小時氙濃度達到平衡。平衡氙濃度與反應堆運行功率有關，功率越高，平衡氙濃度亦越大。反應堆停堆後約 10小時氙濃度可達最大值，此時因中毒效應導致反應堆的後備反應性顯著減小，故使反應堆的再啟動比較困難，運行人員應予以充分重視。
裂變產物毒性
135Xe裂變毒物產生
在熱中子反應堆中，135Xe是引起裂變產物中毒最重要的一種同位素。它通過兩種途徑生成：一是由裂變直接產生的，對於235U裂變，它的產額為0.00228；二是從裂變產物135I經β衰變轉化而來，對於235U裂變，135I的產額為0.06386，其中91%將轉化為135Xe。由此可見，135Xe主要來源於135I的β衰變。
平衡氙毒
當反應堆起動後穩定功率運行時，碘和氙的濃度隨著運行時間的增長而增加，大約經過5～6個該同位素半衰期後，達到平衡濃度(或稱飽和濃度)。這相當於在穩定功率下運行2～3d，就可達到平衡濃度。這時，135I和135Xe的產生率正好等於其消失率，因此它們的濃度保持不變。平衡氙濃度時引起的反應性虧損稱為平衡氙毒。它的大小與反應堆功率密度和核燃料的富集度有關。
反應堆功率改變，或者堆內功率分布較大擾動，都會引起氙的不穩定中毒。停堆後出現的碘抗現象以及由於堆內局部功率擾動激勵的氙振盪現象是瞬態氙的兩個典型例子。
停堆後，碘的生成和氙因吸收中子而消失都停止了。停堆時所積累的碘和氙分別以6.7h和9.2h的半衰期繼續衰變。當碘的濃度比氙的濃度大，且為
倍時，碘衰變成氙的速率，比氙的衰變速率快，則在停堆後的一段時間內，氙的積累暫時增加。與此同時，碘的濃度在不斷下降，碘的衰變也在減弱。於是，氙的濃度達到最大值後就會逐漸下降。
碘坑
停堆後反應堆的反應性隨時間的變化而形成一低谷的現象。碘坑的大小與反應堆的中子注量率有關。中子注量率越高，碘坑越大越深，反應堆設計時必須考慮這一因素。在碘坑期內，若剩餘反應性大於零，反應堆能重新起動;若剩餘反應性小於零，則反應堆無法重新起動，只能等待爬出碘坑後再起動，從而使反應堆再起動受到一定的限制，特別是對剩餘反應性較小的石墨堆。克服的辦法有兩種：一種是在堆內加入更多的燃料，使其有足夠剩餘反應性克服碘坑，但這種方法要有相應的安全措施。另一種是適當地控制停堆程式，使停堆後氙的積累比較少，這樣反應堆再起動將會受到很小的限制。
氙致功率振盪
反應堆內氙濃度和功率分布產生空間振盪的現象。在大型熱中子反應堆內，局部區域功率擾動會引起局部區域氙濃度和增殖係數的變化。反過來，後者又引起前者的變化。兩者相互作用有可能產生氙致功率振盪。如果氙致功率振盪不加以控制和抑制，有可能危及堆芯安全。由於這種氙的瞬態過程比較緩慢，振盪周期比較長，利用控制棒移動能有效地加以控制和抑制。
