Rozpadové řady radioaktivních prvků
Přirozené prvky Rozpadová energie

Rozeznáváme tři typy této energie:
Jaderné reaktory

Základní reakce

Vedlejší reakce - Dynamika atomového reaktoru a vyhořelého paliva z jaderných elektráren (Cs, I, Kr, Sr, Co) Vyhořelé palivo Průmyslové přístroje Ostatní zařízení




Převzato z http://www.aldebaran.cz/forum/viewtopic.php?t=537

Xenonová otrava reaktoru

Redukce reaktivity reaktoru v důsledku velmi vysokého pohlcování neutronů v štěpném produktu Xe-135. Jedním z vedlejších produktů vznikajících ze štěpení jader uranu U-235 nebo Plutonia-239 je tvorba jodu I-135. Reaktorová fyzika vychází z toho, že jód-135 je běžný štěpný produkt, který činí zhruba 6% z v reaktoru vzniklých štěpných produktů. Jelikož je malá šance, že by jód absorboval neutron, není jeho výskyt z hlediska řízení štěpné reakce významný. Ovšem Jód-135 má poločas rozpadu 6,7 hodin a přeměňuje se postupně v xenon Xe-135 s poločasem rozpadu 9,2 hodin. Tento izotop má neobvykle velký průřez pro absorbci neutronů. Jeho hodnota činí 3 500 000 barnů; oproti tomu Bor má pouhých 750 barnů a Uran-235 549 barnů (1 barn = 10-28 cm2). Xenon-135 se tak stává téměř dokonalým absorbátorem neutronů (dokonce se tvrdí, že je to látka s nejvyššími absorbčními schopnostmi) a je velmi důležitým činitelem ovlivňujícím reaktivnost v aktivní zóně!

Při normálním provozu reaktoru je přítomnost xenonu-135 a jódu-135 v rovnováze. Tato situace je daná tím, že probíhající štěpná reakce neustále produkuje nový jód-135, který se mění v xenon-135 a ten se buď přirozeně rozkládá na stabilní cesium-135, a nebo (častěji) pohlcuje neutrony a přeměňuje se na stabilní xenon-136. Zde platí, že ani cesium-135 ani xenon-136 již neutrony neabsorbují a šíření štěpné reakce tedy neovlivňují. Pakliže ovšem drasticky snížíme výkon reaktoru a nebo reaktor odstavíme, je rovnováha narušena a v reaktoru se začíná hromadit xenon-135, protože již vytvořený jód-135 se stále přeměňuje na xenon-135, ale ten vlivem výrazně menšího počtu neutronů v aktivní zóně zůstává v reaktoru a „nevyhoří“. Vrchol koncentrace xenonu-135 nastává zhruba po 12 hodinách od odstavení reaktoru. To je dáno především poločasem rozpadu xenonu-135 (9,2 hodin). Z tohoto důvodu není ani možné spustit krátce po odstavení opět reaktor - xenon tomu prostě zabrání.

Jde o tzv. xenonovou otravu reaktoru. 135 Xe vzniká v reaktoru jednak štěpením uranu 235 U s výtěžkem 0,3%, a dále rozpadem 135 Te, který dvojím rozpadem beta přechází přes 135 I na 135 Xe s výtěžkem 6,2%. 135 Xe má ze všech jader největší účinný průřez pro záchyt neutronu. Jediné jádro xenonu má stejné absorpční vlastnosti jako 5000 jader uranu 235.

Hustota 135 Xe je silně závislá na časovém průběhu hustoty neutronového toku. Protože poločas rozpadu 135 Xe je větší než poločas jeho mateřského jádra, po náhlém poklesu výkonu jeho koncentrace nejprve roste a teprve po překročení maxima postupně odeznívá.

Vzhledem ke krátké době života 135 Te v porovnání se 135 I a 135 Xe lze v kinetice středních délek přechodových jevů předpokládat, že 135 I vzniká okamžitě při štěpení, takže pro analýzu vlivu 135 Xe dostáváme soustavu dvou diferenciálních rovnic, jejichž řešením zjistíme, že za několik desítek hodin po nastartování reaktoru se v jeho nitru ustaví rovnovážná hustota 135 Xe.

Otrava reaktoru 135 Xe se vyjadřuje poměrem tepelných neutronů absorbovaných v xenonu ku počtu neutronů absorbovaných v palivu.

Jódová jáma

Jde o tak velké nahromadění 135 Xe po náhlém snížení výkonu reaktoru, že reaktor nelze po jistou dobu poté vůbec nastartovat. Pokud bychom chtěli přesto reaktor znovu nahodit, museli bychom z aktivní zóny vysunout stejné množství bórových regulačních tyčí, jaké odpovídá absorpční schopnosti nahromaděného xenonu (což však obvykle není možné). Protože po zastavení štěpné reakce již v reaktoru nevzniká další 135 I, ale naopak rozpadem na xenon postupně ubývá, dochází po čase prudkého nárůstu koncentrace xenonu, k opětovnému postupnému úbytku tohoto radionuklidu, dokud není dosaženo stavu, od něhož lze reaktor opětovně provozovat a regulovat. Právě doba, po kterou není možno reaktor znovu najet se nazývá jodová jáma.

Při pozvolném odstavování reaktoru se 135 I ještě tvoří, zatímco 135 Xe dosud vyhořívá. Pro každý reaktor tak existuje mezní hodnota rychlosti odstavení, při které již nehrozí nebezpečí, že reaktor bude uvržen do jodové jámy. Protože manévrovací schopnosti reaktoru jsou určeny zásobou reaktivity, jsou závislé na tom, v které části palivové kampaně se reaktor nachází a rovněž na výkonu reaktoru, z něhož byla změna prováděna.

U velkých energetických reaktorů se navíc od určitých prahových hodnot neutronového toku vyskytují periodické změny prostorové distribuce neutronového toku projevující se vznikem tzv. horkých míst i když kalorimetricky testovaná střední hodnota toku v reaktoru se zdá být v normě. K těmto oscilacím dochází tehdy, existuje-li zpětná vazba mezi neutronovým tokem a koncentrací 135 Xe. V této souvislosti se hovoří o tzv. xenonových oscilacích.

Náhodné zvýšení hustoty neutronového toku v některém místě vede ke zvýšenému vyhořívání 135 Xe. Tím se v daném místě sníží absorpce neutronů a dojde k dalšímu lokálnímu nárůstu neutronového toku. Protože však zároveň roste i produkce 135 I, omezí se další nárůst neutronového toku a následně dochází k jeho poklesu a k hromadění 135 Xe následkem rozpadu radiojódu.

Vznik xenonových oscilací je dán celkovou konstrukcí reaktoru. Je-li amplituda oscilací konvergentní (tlumené oscilace), reaktor je stabilní. Na druhé straně, malé počáteční oscilace s divergentní amplitudou mohou vést k závažným důsledkům. Základní podmínkou pro vznik divergentních xenonových oscilací je aktivní zóna dostatečně veliká, aby v ní mohly vzniknout alespoň dvě oblasti, které mohou pracovat z hlediska neutroniky relativně samostatně, pouze se vzájemnou vazbou (stačí, aby kvadrát objemu aktivní zóny mírně převyšoval tisícinásobek migračního objemu neutronu).

Z analýzy xenonových oscilací plyne, že může nastat celkové periodické kolísání toku neutronů v aktivní zóně bez podstatných změn na jeho globálním výkonu. Potom hovoříme o základním vidu xenonových oscilací. tyto kmity jsou za běžného provozu reaktoru účinně tlumeny běžnými regulačními orgány a nepředstavují vážnější riziko. Nebezpečné z hlediska teplotního pole jsou teprve vyšší vidy kmitů superponované na základní rozložení toku, přičemž počet maxim určuje, o jaký vid se jedná. Nejnebezpečnější jsou nižší vidy toku, které mají poměrně značné amplitudy, zatímco kmity vyšších vidů jsou více tlumeny.

Ručním řízením reaktoru z velína JE lze projevy xenonových oscilací potlačit, ale i naopak prohloubit. U velkých energetických reaktorů s tepelnými neutrony a s vysokým vyrovnáním neutronového toku je vyšetřování xenonové stability základním požadavkem bezpečnosti provozu. V současné době je analýza energetických reaktorů se zřetelem na xenonovou stabilitu provázena rozsáhlým matematickým modelováním zahrnujícím velmi jemné dělení aktivní zóny a vlivu řízení reaktoru včetně lidské obsluhy.

Převzato z http://www.tpub.com/content/doe/h1019v2/css/h1019v2_69.htm

Samariová otrava reaktoru

Because  samarium-149  is  not  radioactive  and  is  not  removed  by  decay,  it  presents  problems somewhat  different  from  those  encountered  with  xenon-135.
When the reactor is shutdown, the samarium-149 concentration builds up as a result of the decay of  the  accumulated  promethium-149.
The  buildup  of  samarium-149  after  shutdown  depends upon the power level before shutdown.
Samarium-149 does not peak as  xenon-135 does, but increases slowly to a maximum value.
After shutdown, if the reactor is then operated  at  power,  samarium-149  is  burned  up  and  its  concentration  returns  to  the equilibrium value.
Samarium poisoning is minor when compared to xenon poisoning.
Although samarium-149 has a constant poisoning effect during long-term sustained operation, its behavior during initial startup and during post-shutdown and restart periods requires special considerations in reactor design.