fosa de yodo

El pozo de yodo , también llamado agujero de yodo o pozo de xenón , es una inactivación temporal de un reactor nuclear debido a la acumulación de venenos neutrónicos de corta duración en el núcleo del reactor . El principal isótopo responsable es el 135Xe ^, producido principalmente por la desintegración beta del ^135I . ^{El 135I es un} absorbente de neutrones débil , mientras que el ^135Xe es el absorbente de neutrones más potente conocido. Cuando el ^135Xe se acumula en las barras de combustible de un reactor, reduce significativamente su reactividad al absorber una cantidad considerable de los neutrones que proporcionan la reacción nuclear.

La presencia de ^135I y ^135Xe en el reactor es una de las principales razones de sus fluctuaciones de potencia en reacción a los cambios en la posición de las barras de control .

La acumulación de productos de fisión de corta duración que actúan como venenos nucleares se denomina envenenamiento del reactor o envenenamiento por xenón . La acumulación de venenos neutrónicos estables o de larga duración se denomina escoria del reactor .

Uno de los productos de fisión más comunes es el ^135Te , que sufre desintegración beta con una vida media de 19 segundos para convertirse en 135I ^. El ^135I es un absorbente de neutrones débil. Se acumula en el reactor a una velocidad proporcional a la velocidad de fisión, que a su vez es proporcional a la potencia térmica del reactor. ^{El 135I} sufre desintegración beta con una vida media de 6,57 horas para convertirse en ^135Xe . El rendimiento de ^{135Xe en la fisión del} uranio es del 6,3%; aproximadamente el 95% del ^135Xe proviene de la desintegración del ^135I .

^{El 135Xe es el} absorbente de neutrones más potente conocido , con una sección transversal para neutrones térmicos de 2,6 × 10⁶ ^barns , [ ^{1 ] por} lo que actúa como un " veneno " que puede ralentizar o detener la reacción en cadena después de un período de funcionamiento. Esto se descubrió en los primeros reactores nucleares construidos por el Proyecto Manhattan para la producción de plutonio . Como resultado, los diseñadores incluyeron disposiciones en el diseño para aumentar la reactividad del reactor (el número de neutrones por fisión que fisionan otros átomos de combustible nuclear ). ^{[ 2 ] El envenenamiento del reactor con 135Xe} desempeñó un papel importante en el desastre de Chernóbil . ^{[ 3 ]} 

Mediante captura de neutrones , ^{el 135} Xe se transforma ("quema") en ¹³⁶ Xe , que es efectivamente ^{[ a ]} estable y no absorbe neutrones de manera significativa.

La tasa de consumo es proporcional al flujo de neutrones , que a su vez es proporcional a la potencia del reactor; un reactor que funciona al doble de potencia tiene el doble de tasa de consumo de xenón. La tasa de producción también es proporcional a la potencia del reactor, pero debido a la vida media del ^135I , esta tasa depende de la potencia promedio de las últimas horas.

Como resultado, un reactor que opera a potencia constante tiene una concentración de equilibrio en estado estacionario fija, pero al disminuir la potencia del reactor, la concentración de ^135Xe puede aumentar lo suficiente como para apagarlo. Sin suficientes neutrones para compensar su absorción por el ^135Xe , ni para quemar el xenón acumulado, el reactor debe mantenerse apagado durante 1 o 2 días hasta que se desintegre una cantidad suficiente de ^135Xe .

^{El 135Xe se desintegra betamente con} una vida media de 9,2 horas a ^135Cs ; 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 ^135Xe , sin que esto introduzca errores en los cálculos de reactividad. ^{[ 4 ]}

La imposibilidad de reiniciar el reactor 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 por xenón , parada por envenenamiento o profundidad del pozo de yodo . Debido al riesgo de tales situaciones, en la incipiente industria nuclear soviética, muchas operaciones de mantenimiento se realizaban en reactores en funcionamiento, ya que los tiempos de inactividad superiores a una hora provocaban una acumulación de xenón que podía mantener el reactor fuera de servicio durante un tiempo considerable, reducir la producción de 239Pu ^, necesario para las armas nucleares, y dar lugar a investigaciones y sanciones para los operadores del reactor. ^{[ 5 ]}

Comportamiento del pozo de yodo

The reactivity of the reactor after the shutdown first decreases, then increases again, having a shape of a pit; this gave the "iodine pit" its name. The degree of poisoning, and the depth of the pit and the corresponding duration of the outage, depends on the neutron flux before the shutdown. Iodine pit behavior is not observed in reactors with neutron flux density below 5×10¹⁶ neutrons m⁻²s⁻¹, as the ¹³⁵Xe is primarily removed by decay instead of neutron capture. As the core reactivity reserve is usually limited to 10% of Dk/k, thermal power reactors tend to use neutron flux at most about 5×10¹³ neutrons m⁻²s⁻¹ to avoid restart problems after shutdown.^[4]

The concentration changes of ¹³⁵Xe in the reactor core after its shutdown is determined by the short-term power history of the reactor (which determines the initial concentrations of ¹³⁵I and ¹³⁵Xe), and then by the half-life differences of the isotopes governing the rates of its production and removal; if the activity of ¹³⁵I is higher than activity of ¹³⁵Xe, the concentration of ¹³⁵Xe will rise, and vice versa.

During reactor operation at a given power level, a secular equilibrium is established within 40–50 hours, when the production rate of iodine-135, its decay to xenon-135, and its burning to xenon-136 and decay to caesium-135 are keeping the xenon-135 amount in the reactor constant at a given power level.

The equilibrium concentration of ¹³⁵I is proportional to the neutron flux φ. The equilibrium concentration of ¹³⁵Xe, however, depends very little on neutron flux for φ > 10¹⁷ neutrons m⁻²s⁻¹.

Increase of the reactor power, and the increase of neutron flux, causes a rise in production of ¹³⁵I and consumption of ¹³⁵Xe. At first, the concentration of xenon decreases, then slowly increases again to a new equilibrium level as now excess ¹³⁵I decays. During a typical power increase from 50 to 100%, the ¹³⁵Xe concentration falls for about 3 hours.^[6]

La disminución de la potencia del reactor reduce la producción de ^135I , pero también disminuye la tasa de consumo de ^135Xe . Durante un tiempo, el ^135Xe se acumula, en función de la cantidad de ^135I disponible , y luego su concentración vuelve a disminuir hasta alcanzar un equilibrio para el nivel de potencia del reactor dado. La concentración máxima de ^135Xe se produce aproximadamente 11,1 horas después de la disminución de la potencia, y el equilibrio se alcanza aproximadamente 50 horas después. Un apagado total del reactor es un caso extremo de disminución de la potencia. ^{[ 7 ]}

Si se dispone de suficiente autoridad de control de reactividad , el reactor puede reiniciarse, pero el transitorio de agotamiento de xenón debe gestionarse cuidadosamente. A medida que se extraen las barras de control y se alcanza la criticidad , el flujo de neutrones aumenta en varios órdenes de magnitud y el ^135Xe comienza a absorber neutrones y a transmutarse en ^136Xe . El reactor quema el veneno nuclear. A medida que esto sucede, la reactividad aumenta y las barras de control deben reinsertarse gradualmente o la potencia del reactor aumentará. La constante de tiempo para este transitorio de agotamiento depende del diseño del reactor, del historial de niveles de potencia del reactor durante los últimos días (y, por lo tanto, de las concentraciones de ^135Xe y ^135I presentes) y del nuevo ajuste de potencia. Para un aumento típico del 50 % al 100 % de potencia, la concentración de ^135Xe disminuye durante aproximadamente 3 horas. ^{[ 6 ]}

La primera vez que se produjo un envenenamiento por ^135Xe en un reactor nuclear fue el 28 de septiembre de 1944, en el reactor 100-B del emplazamiento 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 potencia disminuyó inesperadamente poco después, lo que provocó su parada completa la noche del 28 de septiembre. A la mañana siguiente, la reacción se reinició por sí sola. Los físicos John Archibald Wheeler , que trabajaba para DuPont en ese momento, y Enrico Fermi pudieron identificar que la caída del flujo de neutrones y la consiguiente parada se debieron a la acumulación de ^135Xe en el combustible del reactor. El reactor se construyó con canales de combustible de reserva que se utilizaron para aumentar los niveles normales de funcionamiento del reactor, incrementando así la tasa de consumo del ^135Xe acumulado . ^{[ 8 ]}

Los reactores de grandes dimensiones físicas, como los del tipo RBMK , pueden desarrollar importantes no uniformidades en la concentración de xenón en todo el núcleo. El control de estos núcleos envenenados de forma no homogénea, especialmente a baja potencia, es un problema complejo. El desastre de Chernóbil ocurrió tras la recuperación del reactor 4 de un estado de envenenamiento no uniforme. La potencia del reactor se redujo significativamente en preparación para una prueba, seguida de una parada programada. Justo antes de la prueba, la potencia se desplomó, en parte debido a la acumulación de ^135Xe como resultado de la baja tasa de quemado a baja potencia. Los operadores retiraron la mayoría de las barras de control en un intento por restablecer la potencia. Sin que los operadores lo supieran, estas y otras acciones expusieron al reactor a un ciclo de retroalimentación de potencia neutrónica y producción de vapor. Un sistema de parada defectuoso provocó entonces una sobrecarga de potencia que condujo a la explosión y destrucción del reactor 4.

El efecto de la acumulación de yodo debe tenerse en cuenta en el diseño de reactores. Los altos valores de densidad de potencia , que conllevan elevadas tasas de producción de productos de fisión y, por consiguiente, mayores concentraciones de yodo, requieren una mayor cantidad y enriquecimiento del combustible nuclear utilizado para compensar. Sin esta reserva de reactividad, una parada del reactor impediría su reinicio durante varias decenas de horas hasta que ^{el 135I} / ^135Xe se desintegre lo suficiente, especialmente poco antes de la sustitución del combustible gastado (con alto grado de quemado y acumulación de venenos nucleares ) por combustible nuevo.

Los reactores de combustible fluido no pueden desarrollar inhomogeneidad de xenón porque el combustible se mezcla 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 abandonen las sales combustibles. ^{[ b ]}

• CR Nave. "Envenenamiento por xenón" . HyperPhysics . Universidad Estatal de Georgia . Consultado el 12 de marzo de 2013 .
• Петунин В. P. Теплоэнергетика ядерных установок. — М.: Атомиздат, 1960.
• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.