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中子毒物

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中子毒物(英语:Neutron poison)是一种具有大中子吸收截面的物质,由于会对连锁反应造成负面影响,而被称为“毒物”,常应用于反应堆物理计算中。[1]在反应堆中,我们尽可能希望中子由可裂变物质吸收,使之发生核分裂。然而,一些物质具有强烈的中子捕获现象,会导致降低反应器运转的反应性。有些毒物会在反应器运转过程中吸收中子而消耗掉,但有些则保持不变。

中子被短半衰期核分裂产物吸收称为“反应堆中毒”;中子被长半衰期或稳定的核分裂产物吸收称为“反应器结渣”。[2]

暂时性核分裂产物毒物

一些在核分裂产生的分裂产物具有高中子吸收能力,如:135Xe(微观中子吸收截面σ=2,000,000 b)与149Sm(微观中子吸收截面σ=74,500 b)。因为这两个物质在反应器内大量吸收中子,进而影响热利用率与核反应度。尤其在反应器炉心的影响更为明显,严重的话会使连锁反应缺乏足够中子而停止。

其中,135Xe在反应器中具有最显著的影响。当反应器要再重新启动时,由于分裂产物的衰变,使135Xe的累积增加(约在反应器关闭后10小时后达到最大值),会使反应器在一段时间内无法立即重启,这段期间被称作“死机时间(英语:reactor deadtime)”。[3]在稳定运转期间,以恒定的中子通量来看,135Xe浓度达到长期平衡所需时间约40到50小时。当反应器功率增加时,因为燃烧度随着功率增加而上升,使得中子产生数目增加,135Xe浓度下降。[4]因此,135Xe的浓度变化代表的是一种反应度的正向反馈,由其是在大型反应器中更显重要。

因为95%的135Xe是来自于135I(半衰期约6到7小时)的衰变产物,所以135Xe的浓度会保持恒定,此时135Xe的浓度会维持在最低值。当反应器功率增加到较高功率时,135Xe浓度也会移动到新的平衡。反应器功率下降时则相反。[5]

因为149Sm并不具有放射性,所以不会被衰变消耗掉,它会产生与135Xe不大相同的问题。149Sm浓度会在反应器运转超过500小时(约3个礼拜)后达到平衡,之后在运转期间便不再变化,保持恒定。[6]另一个中子毒物157Gd的微观中子吸收截面σ=200,000 b。

累积性核分裂产物毒物

有许多核分裂产物都会吸收中子对反应器造成一定影响。个别来看,它们不会有特别的影响,但累积在一起时则有显著的效应发生。这些物质被称为“团块核分裂产物”,在反应器中以每次分裂产生50靶恩的速率累积。核分裂产物毒物最终会使核燃料的使用效率下降,甚至导致核反应不稳定。在实务上,毒物累积会让核燃料的可用活期缩短,造成连锁反应减缓。这就是为什么燃料再处理十分重要的原因,使用过的核燃料中仍包含约97%的可裂变材料,经过化学的方法分离出来后,与新燃料混和即可再投入反应器中使用,可以节省成本,但有核扩散的疑虑。

其他去除裂变产物方法,如:固态多孔燃料可以让气态的裂变产物散逸,或使用气态、液态的燃料(熔融盐反应器、可溶水匀相反应器)。这些方法可减轻毒物累积,但会造成安全移除与废料储存问题。

其他具有高中子吸收截面的核分裂产物有:83Kr95Mo143Nd147Pm。在这些元素的原子量以上,就算是偶数质量数,其放射性同位素仍有较大的吸收截面,允许核种连续地吸收不同能量的中子。较重的锕系元素在核分裂反应后,会有较多的分裂产物落在镧系元素的范围,所以其总中子吸收截面较高。

在快反应器中,分裂产物毒物的情形较不一样,那是因为中子吸收截面在快中子热中子之间并不相同。在铅铋共晶的铅冷式快反应堆中,吸收中子而裂变的分裂产物会较总分裂产物多出5%。如:在炉心中,133Cs101Ru103Rh99Tc105Pd107Pd;在增殖层中,149Sm取代107Pd。[7]

衰变毒物

除了中子毒物,在反应器中其他的材料也会吸收中子造成衰变,例如:3H吸收中子衰变为3He。原本氚的半衰期长达12.3年,衰变时间长,对反应器较没有显著影响。然而,当反应器停机几个月后,仍留在炉中的氚可能会吸收中子而衰变为氦-3,造成反应度的负面影响增强。任何在这段期间产生的氦-3,会被随后的中子—质子变换中反应掉。

控制毒物

在运转中的反应器中,燃料会以单调函数递减。假如反应器已运转了很长一段时间,就必须更换燃料以达到临界质量。而额外燃料所超出的正反应度,必须与中子吸收材料产生的负反应度相抵消。含有中子吸收材料的可移动控制棒是控制反应的一种方法,但并不是所有反应器炉心都适用,要视其形状而定。

可燃毒物

可燃并非指在空气下可以燃烧,而是在核反应中可被消耗掉的意思。为了控制大量超出的燃料正反应度,在没有控制棒的情况下,可燃毒物会被装入炉心。可燃毒物是具有高中子吸收截面的物质,吸收中子后会衰变为低中子吸收截面的新物质。由于毒物的持续衰变,其负反应度影响会逐渐减弱。理想上,它的减弱速率会与燃料消耗速率一致。固定型可燃毒物通常会以的化合物形式出现,被作成针状或盘状,甚至是直接添加在燃料内部。因为他们可以分布的较控制棒均匀,所以对功率的影响较小。固定型可燃毒物也可能被离散在炉心中的特定位置,用以控制中子通量,避免某些区块的通量或功率较大,但现多用固定型的不可燃毒物取代。[8]

不可燃毒物

不可燃毒物是一种在炉心周期内持续维持负反应度的物质。当然,并没有真正的不可燃毒物,但在某些条件下可视为不可燃,例如:。铪其中一种同位素在吸收中子后衰变为另一种中子吸收剂,并持续5个衰变反应都是类似的情形。这种反应产生的长半衰期可燃毒物即可视为不可燃毒物。[9]

可溶毒物

可溶毒物在溶于冷却剂水后,会均匀分布在空间中。商用压水式反应堆中最常见的可溶毒物是硼酸。硼酸会降低热利用因子,使反应度下降。利用不同的硼酸浓度(析出或溶解),可以容易地调整反应度变化。假如浓度上升,冷却剂或减速剂会吸收更多中子,产生负反应度。反之则中子吸收下降,反应度上升。但这种浓度变化缓慢,主要是作为辅助方式使用。这种方法可以减少控制棒的使用,使中子通量维持在恒定状态。[8]所有美制的压水式反应器都有使用这项系统,美国海军的反应器与沸水式反应堆则不使用。

可溶毒物也被用于紧急停机安全系统中。在紧急停机时,操作员会直接注入含有可溶毒物的冷却剂于炉心内部。像是四硼酸钠硝酸钆(Gd(NO3)3·xH2O)。[8]

2011年3月16日,韩国宣称应日本政府要求运送了53吨的硼酸前往日本,防止炉心熔毁发生[10]

注释

参考资料

  1. ^ Nuclear poison (or neutron poison). United States Nuclear Regulation Committee. [2011-08-04]. 
  2. ^ Kruglov , A. K. The history of the Soviet atomic industry, Taylor & Francis, 2002 ISBN 0-415-26970-9, p. 57
  3. ^ Lamarsh, John.R. Introduction to Nuclear Engineering,3rd ed , p.382. 
  4. ^ Lamarsh, John.R. Introduction to Nuclear Engineering,3rd ed , p.383. 
  5. ^ DOE Handbook, pp. 35–42.
  6. ^ DOE Handbook, pp. 43–47.
  7. ^ A. A. Dudnikov, A. A. Sedov. RBEC-M Lead-Bismuth Cooled Fast Reactor Benchmarking Calculations (PDF). International Atomic Energy Agency. [永久失效链接]
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 DOE Handbook, p. 31.
  9. ^ DOE Handbook, p. 32.
  10. ^ 南韩应日本援助要求将向日提供硼酸以遏制爆炸. [2013-01-26]. [永久失效链接]

参考书目


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