요오드 핏

Iodine pit

요오드 구멍 또는 제논 구멍이라고도 불리는 요오드 핏은 원자로 노심 내에 단명 핵 독이 축적돼 원자로가 일시적으로 비활성화된 것이다. 책임지는 주 동위원소는 Xe인데, 주로 I의 자연 붕괴에 의해 생성된다. 135나는 약한 중성자 흡수제인 반면, Xe는 가장 강한 중성자 흡수제다. Xe가 원자로의 연료봉에 쌓였을 때, 그것은 핵반응을 제공하는 상당량의 중성자를 흡수함으로써 반응도를 현저히 낮춘다.

원자로에 I과 Xe가 존재하는 것은 제어봉 위치의 변화에 대한 반응으로 출력 변동의 주요 원인 중 하나이다.

핵 독으로 작용하는 단명 핵분열 생성물의 축적을 원자로 중독, 즉 제논 중독이라고 한다. 안정적이거나 장수하는 중성자 독의 축적을 원자로 슬래깅이라고 한다.

핵분열 생성물은 부패하고 연소된다.

일반적인 핵분열 생성물 중 하나는 Te인데, Te는 나까지 19초의 반감기와 함께 베타 붕괴를 겪는다. 135나 자체가 약한 중성자 흡수기다. 원자로 열전력에 비례하는 핵분열 속도에 비례하는 비율로 원자로에 축적된다. 135나는 Xe까지 6.57시간의 반감기와 함께 베타 붕괴를 겪는다. 우라늄 핵분열에 대한 Xe의 수율은 6.3%이다; Xe의 약 95%는 I의 붕괴에서 발생한다.

135Xe는 가장 강력한 것으로 알려진 중성자 흡수기로 열 중성자 단면이 2.6×106 barns이므로 일정 시간 작동 후 체인 반응을 늦추거나 정지시킬 수 있는 '독성' 역할을 한다.[1] 이는 맨해튼 프로젝트에서 플루토늄 생산을 위해 건설한 초기 원자로에서 발견되었다. 그 결과, 설계자들은 원자로의 반응도(핵연료의 다른 원자를 핵분열하는 핵분열당 중성자의 수)를 증가시키기 위한 조항을 설계에서 만들었다.[2] 체르노빌 참사에서 세 135원자로 중독이 큰 역할을 했다.[3]

중성자 포획에 의해 Xe가 Xe로 변형("소각")되는데, Xe는 효과적으로[4] 안정되어 중성자를 유의하게 흡수하지 않는다.

연소율은 원자로 출력에 비례하는 중성자속도에 비례한다. 두 배의 출력으로 작동하는 원자로는 제논 연소율의 2배를 갖는다. 생산률도 원자로 출력에 비례하지만 I의 반감기 시간 때문에 이 비율은 지난 몇 시간 동안의 평균 출력에 따라 달라진다.

그 결과 정전력으로 작동하는 원자로는 고정된 정상상태 평형농도를 갖지만 원자로 출력을 낮추면 Xe의 농도가 증가해 원자로를 효과적으로 정지시킬 수 있다. Xe에 의한 흡수를 상쇄할 정도의 중성자 없이, 또는 내장된 제논을 태울 수 있는 충분한 중성자 없이, 원자로는 Xe가 충분히 분해될 때까지 1~2일 동안 정지 상태를 유지해야 한다.

135C까지 9.2시간의 반감기로 Xe 베타-판결한다; 독이 든 코어는 몇 번의 반감기를 거친 후에 자연적으로 회복될 것이다. 약 3일의 셧다운 후 코어는 반응도 계산에 오류를 도입하지 않고 Xe가 없는 것으로 가정할 수 있다.[5]

그러한 상태에서 원자로를 재가동할 수 없는 상태를 제논 배제된 시동 또는 요오드 피트로 떨어지는 것을 제논이라고 한다. 이 상황의 지속시간을 제논 데드 타임, 독극물 중단 또는 요오드 피트의 깊이라고 한다. 그런 상황의 초기 소련 원자력 산업에서 위험 때문에 많은 서비스 직책으로 원자로에, downtimes 한시간 이처럼 중요한 시간을 수사와 말장난으로 이어질 것이다 원자로 오프라인 239는 생산, 핵무기에 필요하게 보관할 수 있xenon 증강으로 이어졌다 이상으로 행해졌다.는원자로 운전자의 위치.[6]

제논-135 진동

Xe 축적과 중성자 유속이 상호 의존하면 주기적인 전력 변동을 초래할 수 있다. 지역 간 중성자속 커플링이 거의 없는 대형 원자로에서 플럭스 불균일성은 제논 진동의 형성을 유발할 수 있으며, 약 15시간의 기간 동안 노심을 통과하는 원자로 출력의 주기적인 국부적 변화를 초래할 수 있다. 중성자 플럭스의 국부적 변화는 Xe의 연소율 증가와 I의 생산을 유발하고 Xe의 고갈은 코어 영역의 반응성을 증가시킨다. 국부 출력밀도는 원자로의 평균 출력은 다소 변동이 없는 반면 3배 이상씩 변화할 수 있다. 강한 음의 반응도 계수는 이러한 진동을 감쇠시키는 원인이 되며, 원하는 원자로 설계 특성이다.[5]

요오드 핏 거동

원자로 정지 후 Xe 농도 (1) 및 (2) 원자로 반응도 개발. (정지할 때까지 중성자속은 φ=1018 중성자 ms이었다−2−1.)

정지 후 원자로의 반응도는 처음에는 감소했다가 다시 증가하여 구덩이 모양을 갖게 된다. 이는 "요오드 구덩이"라는 이름을 갖게 되었다. 중독 정도, 그리고 핏의 깊이와 그에 상응하는 정전 기간은 정지 전 중성자속도에 따라 달라진다. Xe는 주로 중성자 포획 대신 붕괴에 의해 제거되기 때문에 중성자 플럭스 밀도가 5×1016 중성자 ms−2−1 미만인 원자로에서는 요오드 핏 거동이 관찰되지 않는다. 노심 반응도 예비량은 통상 Dk/k의 10%로 제한되기 때문에, 화력 원자로는 정지 후 재가동 문제를 피하기 위해 최대 약 5×1013 중성자 ms의−2−1 중성자 유속을 사용하는 경향이 있다.[5]

135Xe의 원자로 노심으로 집중다면 135I의 활동 activi보다 높다 후에 정지 원자로(는 135I과 135Xe의 초기 농도를 결정하)의 단기적을 역사한 다음은 동위 원소 생산 및 제거의 비율의 반감기 차이에 의해에 의해 결정된다.135Xe의 ty, 흙e Xe의 농도가 상승할 것이고, 그 반대의 경우도 상승할 것이다.

주어진 출력수준에서 원자로를 운전하는 동안 세속적 평형은 40~50시간 이내에 확립되며, 이때 요오드-135의 생산률은 제논-135로 붕괴되고, 제논-136으로 연소되고 세슘-135로 붕괴되어 원자로 내 제논-135의 양이 주어진 출력수준에서 일정하게 유지된다.

I의 평형농도는 중성자속 φ에 비례한다. 그러나 Xe의 평형 농도는 concentration > 1017 중성자 ms에−2−1 대한 중성자 유속에는 거의 의존하지 않는다.

원자로 출력의 증가와 중성자 유속의 증가는 I의 생산과 Xe의 소비의 증가를 초래한다. 처음에는 제논의 농도가 감소하다가, 다시 서서히 새로운 평형수준으로 증가하여 지금 과하게 나는 소멸한다. 일반적인 전력이 50%에서 100%로 증가하면 Xe 농도는 약 3시간 동안 감소한다.[7]

원자로 출력이 감소하면 새로운 I의 생산이 줄어들지만 Xe의 연소율도 낮아진다. Xe는 잠시 동안 이용 가능한 I의 양에 의해 제어되며, 그 후에 그 농도는 주어진 원자로 출력 수준에 대한 평형으로 다시 감소한다. Xe의 피크 농도는 전력 감소 후 약 11.1시간 후에 발생하며, 평형은 약 50시간 후에 도달한다. 원자로를 완전히 정지시키는 것은 출력 감소가 심각한 경우다.[8]

설계 주의사항

충분한 반응도 제어 권한이 있는 경우 원자로를 재가동할 수 있지만 제논 연소 과도현상을 주의 깊게 관리해야 한다. 제어봉이 추출되고 임계도에 도달하면 중성자속은 많은 크기의 순서를 증가시키고 Xe는 중성자를 흡수하여 Xe로 변환되기 시작한다. 원자로가 핵 독을 연소시킨다. 이렇게 되면 반응도가 높아지고 제어봉을 점진적으로 재삽입해야 하며 그렇지 않으면 원자로 출력이 증가한다. 이 연소 과도현상에 대한 시간 상수는 원자로 설계, 지난 며칠 동안의 원자로 출력 수준 이력(따라서 Xe와 I 농도) 및 새로운 전력 설정에 따라 달라진다. 일반적으로 전력 50%에서 100%로 상승하는 경우, Xe 농도는 약 3시간 동안 감소한다.[7]

세가 처음으로 원자로에 중독된 것은 1944년 9월 28일 핸포드 사이트의 파일 100-B에서였다. 원자로 B는 듀폰트가 맨해튼 프로젝트의 일환으로 건설한 플루토늄 생산 원자로였다. 원자로는 1944년 9월 27일에 가동되었으나 얼마 지나지 않아 예기치 않게 전력이 떨어져 9월 28일 저녁에는 완전 정지되었다. 다음날 아침 그 반응은 저절로 다시 시작되었다. 당시 듀폰에서 일하던 물리학자 존 아치발트 휠러(John Archibald Wheeler)는 엔리코 페르미(Enrico Fermi)와 함께 중성자속 감소와 그에 따른 셧다운이 원자로 연료에 Xe가 축적되면서 발생했음을 확인할 수 있었다. 다행히 원자로는 예비연료 채널로 건설되어 이후 원자로의 정상운전 수준을 높이는 데 사용되어 축적된 Xe의 연소율을 증가시켰다.[9]

예를 들어 RBMK 유형과 같이 물리적 크기가 큰 원자로는 노심을 통해 제논 농도의 상당한 불균일성을 개발할 수 있다. 특히 저전력에서 그러한 비독성 코어를 제어하는 것은 어려운 문제다. 체르노빌 참사는 4호기를 균일하게 독이 든 상태에서 복구하려는 시도로부터 비롯되었다. 원자로는 시험을 준비하기 위해 매우 낮은 전력 수준에서 가동되고 있었고, 예정된 정지가 뒤따랐다. 시험 직전 저전력으로 낮은 연소율의 결과로 Xe가 축적되면서 전력이 급감했다. 운전자들은 이 상태를 모르고 전원을 다시 끌어올리기 위해 제어봉 6개를 제외한 나머지 모든 제어봉을 철수시켰다.[disputed – discuss] 이어 4호기의 폭발과 파괴로 이어진 전력 급증을 유발하는 다른 실수들이 연쇄적으로 이어졌다.

요오드 핏 효과는 원자로 설계 시 고려되어야 한다. 높은 전력 밀도 값으로 인해 핵분열 생성물의 높은 생산률이 발생하고 따라서 요오드 농도가 높아지려면 더 높은 양과 보상에 사용되는 핵연료의 농축이 필요하다. 이 반응도 예비비가 없으면 I/135Xe가 충분히 분해될 때까지, 특히 사용후 핵연료를 새 연료로 교체하기 직전에 원자로 정지는 수십 시간 동안 재시동을 방지할 수 있다.

유체 연료 원자로는 연료가 자유롭게 섞이기 때문에 제논의 비균질성을 발생시킬 수 없다. 또한, 용융 염화 원자로 실험은 재순환 중에 액체 연료를 가스 공간을 통해 방울로 분사하면 제논과 크립톤이 연료 염을 남길 수 있다는 것을 증명했다. 중성자 피폭에서 Xe를 제거한다는 것은 또한 원자로가 장수 핵분열 생성물 C를 더 많이 생산할 것이라는 것을 의미한다.

참조

  1. ^ Stacey, Weston M. (2007). Nuclear Reactor Physics. Wiley-VCH. p. 213. ISBN 978-3-527-40679-1.
  2. ^ Staff. "Hanford Becomes Operational". The Manhattan Project: An Interactive History. U.S. Department of Energy, Office of History and Heritage Resources. Archived from the original on October 14, 2010. Retrieved 2013-03-12.
  3. ^ Pfeffer, Jeremy I.; Nir, Shlomo (2000). Modern Physics: An Introductory Text. Imperial College Press. pp. 421 ff. ISBN 1-86094-250-4.
  4. ^ 제논-136호는 2.165×10년의21 극도로 긴 반감기와 함께 이중 베타 붕괴를 겪는다.
  5. ^ a b c "Xenon-135 Oscillations". Nuclear Physics and Reactor Theory (PDF). Vol. 2 of 2. U.S. Department of Energy. January 1993. p. 39. DOE-HDBK-1019/2-93. Retrieved 2014-08-21.
  6. ^ Kruglov, Arkadii (15 August 2002). The History of the Soviet Atomic Industry. pp. 57, 60. ISBN 0-41526-970-9.
  7. ^ a b 제논 붕괴 과도 그래프
  8. ^ DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 2 (PDF). U.S. Department of Energy. January 1993. pp. 35–42. Archived from the original (PDF) on 2012-11-09. Retrieved 2013-03-12.
  9. ^ "John Wheeler's Interview (1965)". www.manhattanprojectvoices.org. Retrieved 2019-06-19.
  • C.R. Nave. "Xenon Poisoning". HyperPhysics. Georgia State University. Retrieved 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.