El pozo de yodo , también llamado pozo de yodo o pozo de xenón , es una desactivación temporal de un reactor nuclear debido a la acumulación de venenos nucleares de corta duración en el núcleo del reactor . El isótopo principal responsable es 135 Xe , producida principalmente por naturales decaimiento de 135 I . 135 I es un absorbedor de neutrones débil , mientras que 135 Xe es el absorbedor de neutrones más fuerte conocido. Cuando 135 Xe se acumula en las barras de combustible de un reactor, reduce significativamente su reactividad., absorbiendo una cantidad significativa de los neutrones que proporcionan la reacción nuclear.
La presencia de 135 I y 135 Xe en el reactor es una de las principales razones de sus fluctuaciones de potencia en reacción al cambio de posiciones de las barras de control .
La acumulación de productos de fisión de vida corta que actúan como venenos nucleares se denomina envenenamiento por reactor o envenenamiento por xenón . La acumulación de venenos neutrónicos estables o de larga duración se denomina escoria del reactor .
Los productos de fisión se descomponen y se queman
Uno de los habituales productos de fisión es 135 Te , que sufre desintegración beta con vida media de 19 segundos a 135 me . El 135 I en sí mismo es un absorbedor de neutrones débil. Se acumula en el reactor a una velocidad proporcional a la velocidad de fisión, que es proporcional a la potencia térmica del reactor. 135 I sufre desintegración beta con una vida media de 6,57 horas a 135 Xe . El rendimiento de 135 Xe para la fisión del uranio es del 6,3%; aproximadamente el 95% de 135 Xe se origina a partir de la desintegración de 135 I.
135 Xe es el absorbedor de neutrones más poderoso conocido , con una sección transversal para neutrones térmicos de 2.6 × 10 6 graneros , [1] por lo que actúa como un " veneno " que puede ralentizar o detener la reacción en cadena después de un período de operación. Esto fue descubierto en los primeros reactores nucleares construidos por el Proyecto Manhattan para la producción de plutonio . Como resultado, los diseñadores tomaron medidas en el diseño para aumentar la reactividad del reactor (el número de neutrones por fisión que pasan a la fisión de otros átomos del combustible nuclear ). [2] El envenenamiento del reactor 135 Xe jugó un papel importante en el desastre de Chernobyl . [3]
Mediante la captura de neutrones , el 135 Xe se transforma ("quema") en 136 Xe , que es efectivamente [4] estable y no absorbe neutrones de manera significativa.
La velocidad de combustión es proporcional al flujo de neutrones , que es proporcional a la potencia del reactor; un reactor que funcione al doble de potencia tendrá el doble de velocidad de combustión del xenón. La tasa de producción también es proporcional a la potencia del reactor, pero debido al tiempo de vida media de 135 I, esta tasa depende de la potencia promedio durante las últimas horas.
Como resultado, un reactor que opera a potencia constante tiene una concentración de equilibrio de estado estable fijo, pero cuando se reduce la potencia del reactor, la concentración de 135 Xe puede aumentar lo suficiente como para apagar el reactor de manera efectiva. Sin suficientes neutrones para compensar su absorción por 135 Xe, ni para quemar el xenón acumulado, el reactor debe mantenerse en estado de apagado durante 1 o 2 días hasta que se desintegra una cantidad suficiente de 135 Xe.
135 Xe beta-decae con una vida media de 9,2 horas a 135 Cs ; un núcleo envenenado se recuperará espontáneamente después de varias vidas medias. Después de aproximadamente 3 días de apagado, se puede suponer que el núcleo está libre de 135 Xe, sin que introduzca errores en los cálculos de reactividad. [5]
La incapacidad del reactor para ser reiniciado en tal estado se denomina arranque impedido por xenón o caída en un pozo de yodo ; la duración de esta situación se conoce como tiempo muerto del xenón , interrupción del veneno o profundidad del pozo de yodo . Debido al riesgo de tales situaciones, en la industria nuclear soviética temprana, muchas operaciones de servicio se realizaron en reactores en funcionamiento, ya que los tiempos de inactividad de más de una hora llevaron a la acumulación de xenón que podría mantener el reactor fuera de línea durante un tiempo significativo, lo que redujo la producción de 239 Pu. , requerido para las armas nucleares, y daría lugar a investigaciones y castigos a los operadores de los reactores. [6]
Oscilaciones de xenón-135
La interdependencia de la acumulación de 135 Xe y el flujo de neutrones puede provocar fluctuaciones periódicas de potencia. En reactores grandes, con poco acoplamiento de flujo de neutrones entre sus regiones, las faltas de uniformidad de flujo pueden conducir a la formación de oscilaciones de xenón , variaciones locales periódicas de la potencia del reactor que se mueven a través del núcleo con un período de aproximadamente 15 horas. Una variación local del flujo de neutrones provoca un aumento de la combustión de 135 Xe y la producción de 135 I, el agotamiento de 135 Xe aumenta la reactividad en la región del núcleo. La densidad de potencia local puede cambiar en un factor de tres o más, mientras que la potencia media del reactor permanece más o menos sin cambios. El fuerte coeficiente de reactividad de temperatura negativa provoca la amortiguación de estas oscilaciones, y es una característica deseada del diseño del reactor. [5]
Comportamiento del pozo de yodo
La reactividad del reactor después de la parada primero disminuye, luego aumenta nuevamente, teniendo la forma de un pozo; esto le dio al "pozo de yodo" su nombre. El grado de envenenamiento y la profundidad del pozo y la duración correspondiente de la interrupción dependen del flujo de neutrones antes del cierre. El comportamiento del pozo de yodo no se observa en reactores con densidad de flujo de neutrones por debajo de 5 × 10 16 neutrones m −2 s −1 , ya que el 135 Xe se elimina principalmente por desintegración en lugar de captura de neutrones. Como la reserva de reactividad del núcleo suele limitarse al 10% de Dk / k, los reactores de potencia térmica tienden a utilizar un flujo de neutrones como máximo alrededor de 5 × 10 13 neutrones m −2 s −1 para evitar problemas de reinicio después del apagado. [5]
Los cambios de concentración de 135 Xe en el núcleo del reactor después de su apagado están determinados por el historial de energía a corto plazo del reactor (que determina las concentraciones iniciales de 135 I y 135 Xe), y luego por las diferencias de vida media de los isótopos. gobernar las tasas de su producción y remoción; si la actividad de 135 I es mayor que la actividad de 135 Xe, la concentración de 135 Xe aumentará y viceversa.
Durante la operación del reactor a un nivel de potencia dado, se establece un equilibrio secular dentro de 40 a 50 horas, cuando la tasa de producción de yodo-135, su desintegración a xenón-135, y su combustión a xenón-136 y su desintegración a cesio-135 son manteniendo constante la cantidad de xenón-135 en el reactor a un nivel de potencia dado.
La concentración de equilibrio de 135 I es proporcional al flujo de neutrones φ. Sin embargo, la concentración de equilibrio de 135 Xe depende muy poco del flujo de neutrones para φ> 10 17 neutrones m −2 s −1 .
El aumento de la potencia del reactor y el aumento del flujo de neutrones provoca un aumento en la producción de 135 I y el consumo de 135 Xe. Al principio, la concentración de xenón disminuye, luego aumenta lentamente de nuevo hasta un nuevo nivel de equilibrio, ya que ahora el exceso de 135 I decae. Durante los aumentos de potencia típicos del 50 al 100%, la concentración de 135 Xe cae durante aproximadamente 3 horas. [7]
La disminución de la potencia del reactor reduce la producción de 135 I nuevos , pero también reduce la velocidad de combustión de 135 Xe. Durante un tiempo se acumula 135 Xe, gobernado por la cantidad de 135 I disponible , luego su concentración disminuye nuevamente hasta un equilibrio para el nivel de potencia del reactor dado. La concentración máxima de 135 Xe se produce después de aproximadamente 11,1 horas después de la disminución de potencia, y el equilibrio se alcanza después de aproximadamente 50 horas. Una parada total del reactor es un caso extremo de disminución de potencia. [8]
Precauciones de diseño
Si se dispone de suficiente autoridad para el control de la reactividad , el reactor puede reiniciarse, pero un transitorio de combustión de xenón debe gestionarse con cuidado. A medida que se extraen las barras de control y se alcanza la criticidad , el flujo de neutrones aumenta muchos órdenes de magnitud y el 135 Xe comienza a absorber neutrones y se transmuta en 136 Xe. El reactor quema el veneno nuclear. A medida que esto sucede, la reactividad aumenta y las barras de control deben reinsertarse gradualmente o aumentará la potencia del reactor. La constante de tiempo para este transitorio de combustión depende del diseño del reactor, el historial del nivel de potencia del reactor durante los últimos días (por lo tanto, las concentraciones de 135 Xe y 135 I presentes) y el nuevo ajuste de potencia. Para un paso típico de 50% de potencia a 100% de potencia, la concentración de 135 Xe cae durante aproximadamente 3 horas. [7]
La primera vez que se envenenó con 135 Xe un reactor nuclear ocurrió el 28 de septiembre de 1944 en la pila 100-B en el sitio de Hanford. El reactor B era un reactor de producción de plutonio construido por DuPont como parte del Proyecto Manhattan. El reactor se puso en marcha el 27 de septiembre de 1944, pero la energía se redujo inesperadamente poco después, lo que provocó un cierre completo en la noche del 28 de septiembre. A la mañana siguiente, la reacción se reinició por sí sola. El físico John Archibald Wheeler , que trabajaba para DuPont en ese momento, junto con Enrico Fermi pudieron identificar que la caída en el flujo de neutrones y la consecuente parada fue causada por la acumulación de 135 Xe en el combustible del reactor. Afortunadamente, el reactor se construyó con canales de combustible de repuesto que luego se utilizaron para aumentar los niveles normales de funcionamiento del reactor, aumentando así la tasa de combustión de los 135 Xe acumulados . [9]
Los reactores con grandes dimensiones físicas, por ejemplo, el tipo RBMK , pueden desarrollar irregularidades significativas de concentración de xenón a través del núcleo. El control de tales núcleos envenenados de manera no homogénea, especialmente a baja potencia, es un problema desafiante. El desastre de Chernobyl resultó de un intento de recuperar el Reactor 4 de un estado no uniformemente envenenado. El reactor estaba funcionando a niveles de potencia muy bajos en preparación para una prueba, seguida de una parada programada. Justo antes de la prueba, la potencia se desplomó debido a la acumulación de 135 Xe como resultado de la baja tasa de quemado a baja potencia. Los operadores, que no estaban al tanto de la condición, [ disputaron ] retiraron todas las barras de control menos 6 en un intento de restablecer la energía. Esto fue seguido por una cadena de otros errores que causaron un pico de energía que condujo a la explosión y destrucción del reactor 4.
El efecto del pozo de yodo debe tenerse en cuenta para los diseños de reactores. Los valores altos de densidad de potencia , que conducen a altas tasas de producción de productos de fisión y, por lo tanto, a concentraciones más altas de yodo, requieren una mayor cantidad y enriquecimiento del combustible nuclear utilizado para compensar. Sin esta reserva de reactividad, la parada de un reactor impediría su reinicio durante varias decenas de horas hasta que 135 I / 135 Xe decaiga lo suficiente, especialmente poco antes de la sustitución del combustible gastado (con alto grado de quemado y venenos nucleares acumulados ) por uno nuevo.
Los reactores de combustible fluido no pueden desarrollar inhomogeneidad de xenón porque el combustible se puede mezclar libremente. Además, el experimento del reactor de sales fundidas demostró que rociar el combustible líquido en forma de gotas a través de un espacio de gas durante la recirculación puede permitir que el xenón y el criptón dejen las sales de combustible. Eliminar 135 Xe de la exposición a neutrones también significa que el reactor producirá más 135 Cs del producto de fisión de larga duración .
Referencias
- ^ Stacey, Weston M. (2007). Física de Reactores Nucleares . Wiley-VCH. pag. 213. ISBN 978-3-527-40679-1.
- ^ Personal. "Hanford se vuelve operativo" . El proyecto Manhattan: una historia interactiva . Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Historia y Recursos Patrimoniales. Archivado desde el original el 14 de octubre de 2010 . Consultado el 12 de marzo de 2013 .
- ^ Pfeffer, Jeremy I .; Nir, Shlomo (2000). Física moderna: un texto introductorio . Prensa del Imperial College. págs. 421 y sigs. ISBN 1-86094-250-4.
- ^ El xenón-136 sufre una desintegración beta doble con una vida media extremadamente larga de 2.165 × 10 21 años.
- ^ a b c "Oscilaciones de Xenon-135" . Física nuclear y teoría de reactores (PDF) . 2 de 2. Departamento de Energía de EE. UU. Enero de 1993. p. 39. DOE-HDBK-1019 / 2-93 . Consultado el 21 de agosto de 2014 .
- ^ Kruglov, Arkadii (15 de agosto de 2002). La historia de la industria atómica soviética . págs. 57, 60. ISBN 0-41526-970-9.
- ^ a b Gráfico transitorio de desintegración de xenón
- ^ Manual de fundamentos del DOE: Física nuclear y teoría de reactores, volumen 2 (PDF) . Departamento de Energía de Estados Unidos. Enero de 1993. págs. 35–42. Archivado desde el original (PDF) el 9 de noviembre de 2012 . Consultado el 12 de marzo de 2013 .
- ^ "Entrevista de John Wheeler (1965)" . www.manhattanprojectvoices.org . Consultado el 19 de junio de 2019 .
- CR Nave. "Envenenamiento por xenón" . Hiperfísica . Universidad Estatal de Georgia . Consultado el 12 de marzo de 2013 .
- Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. - М .: Атомиздат, 1960.
- Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. - М .: Атомиздат, 1979.