제논-135

Xenon-135
제논-135, 세
장군님
기호135세
이름제논-135, Xe-135
양성자54
중성자81
핵종 데이터
자연적 풍요동음이의
하프라이프9.14 ± 0.02시간
부패 제품135Cs
스핀3/2+
과잉 에너지−86413 ± 4 keV
결합 에너지8398.476 ± 0.028 keV
붕괴 모드
붕괴 모드붕괴 에너지(MeV)
베타 붕괴1.168
제논 동위 원소
핵종 전체표

제논-135(135Xe)는 약 9.2시간의 반감기를 가진 제논의 불안정한 동위원소다. 135Xe는 우라늄의 핵분열 생성물로 알려진 가장 강력한 중성자 흡수 핵 독물질(200만개,[1] 원자로 조건에서[3] 최대 300만개[2])으로 원자로 운영에 상당한 영향을 미친다. 핵분열로 인한 제논-135의 최종 수율은 6.3%이지만, 이 중 대부분은 핵분열로 생성된 텔루륨-135와 요오드-135에서 나온다.

원자로 재가동에 미치는 135Xe 영향

주요 기사: 요오드 핏

우라늄-235를 연료로 하는 일반적인 원자로에서, 핵분열 생성물로서의 Xe의 존재는 흡수를 위한 큰 중성자 단면 때문에 설계자와 운영자에게 문제를 나타낸다. 중성자를 흡수하는 것은 원자로의 전력증가 능력에 해로울 수 있기 때문에 원자로는 이러한 영향을 완화시키기 위해 설계된다; 운전자는 이러한 과도현상을 적절히 예측하고 반응하도록 훈련받는다. 실제로 제2차 세계대전 당시 엔리코 페르미는 세-135호의 효과를 의심했고, 에밀리오 세그레의 충고를 따라 제자 치엔-시웅 우와 접촉했다. 우가 곧 발표할 Xe-135에 관한 논문은 페르미가 중성자를 흡수해 그들의 프로젝트에 사용 중이던 B 원자로를 교란시켰다는 추정을 완전히 검증했다.[4][5]

일정한 중성자속 수준에서 정상상태로 운전하는 동안, Xe 농도는 약 40시간에서 50시간 이내에 원자로 출력에 대한 평형값까지 증가한다. 원자로 출력이 증가하면 처음에는 새로운 고출력 수준에서 연소량이 증가하기 때문에 Xe 농도가 감소한다. Xe 생산의 95%는 6.57시간의 반감기를 가진 요오드-135의 붕괴로부터 발생하기 때문에 Xe의 생산은 일정하게 유지된다. 이 시점에서 Xe의 농도는 최소한에 도달한다. 이후 약 40시간에서 50시간 이내에 새로운 전력 수준에 대한 새로운 평형 수준(더 정확하게 안정 상태 수준)으로 농도가 증가한다. 전력 변화 후 처음 4~6시간 동안 농도 변화율은 초기 전력 수준과 전력 수준 변화량에 따라 달라진다. Xe 농도 변화는 전력 수준의 더 큰 변화를 위해 더 크다. 원자로 출력이 감소하면 공정이 역전된다.[6]

요오드-135는 약 6%의 수율을 가진 우라늄의 핵분열 생성물이다(또한 핵분열 생성 텔루륨-135의 붕괴에서 거의 즉시 생성된 요오드-135도 계산한다).[7] 나는 Xe에게 6.57시간의 반감기를 준다. 따라서 운전 중인 원자로에서 Xe는 지속적으로 생산되고 있다. 135Xe는 매우 큰 중성자 흡수 단면을 가지고 있기 때문에 원자로 노심의 고중성자-플룩스 환경에서 Xe는 곧 중성자를 흡수하여 거의 안정성이 있는 Xe가 된다. 따라서 약 50시간 내에 Xe 농도는 I에 의한 생성과 중성자 흡수에 의한 파괴가 균형을 이루는 평형에 도달한다.

중성자 흡수 제어봉을 삽입하여 원자로 출력이 감소하거나 정지되면 원자로 중성자 유속이 감소되고 평형이 초기에는 더 높은 Xe 농도로 이동한다. Xe 농도는 원자로 출력이 감소된 후 약 11.1시간 후에 최고조에 이른다. Xe는 9.2시간의 반감기를 가지고 있기 때문에, Xe 농도는 점차 72시간 동안 낮은 수준으로 감소한다.

중성자 흡수 단면이 높은 일시적으로 높은 Xe 수위는 원자로 재가동을 몇 시간 동안 어렵게 만든다. 중성자를 흡수하는 Xe는 제어봉처럼 작용하여 반응도를 감소시킨다. Xe의 영향으로 원자로 가동이 불가능한 것을 제논 방지 시운전이라고 부르기도 하며, 원자로는 "독성화"되었다고 한다.[8] 원자로가 Xe의 영향을 극복할 수 없는 기간을 "Xenon dead time"이라고 부른다.

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 반응도와 중성자속도가 증가하며, 제어봉은 Xe에 의한 중성자 흡수상실에 대항하기 위해 점진적으로 재삽입되어야 한다. 그렇지 않으면 원자로 중성자속은 계속 증가해 더 많은 제논 독을 연소시킬 것이다. 이 연소 과도현상에 대한 시간 상수는 원자로 설계, 지난 며칠 동안의 원자로 출력 수준 이력 및 새로운 전력 설정에 따라 달라진다. 일반적으로 전력 50%에서 100%로 상승하는 경우, Xe 농도는 약 3시간 동안 감소한다.[9]

제논 중독은 체르노빌 참사의 한 원인이 되었다. 저전력으로 가는 동안, 운전자의 오류와 제논 중독의 조합으로 원자로 열 출력이 거의 셧다운 수준으로 떨어졌다. 결과적으로 동력을 복구하려는 승무원들의 노력은 원자로를 매우 안전하지 않은 상태로 만들었다. SCRAM 시스템의 결함은 양의 반응도를 삽입하여 열 과도현상과 증기 폭발을 일으켜 원자로가 갈라졌다.

많은 용융된 염화 원자로 설계와 같이 연속 재처리를 사용하는 원자로는 연료에서 Xe를 추출하여 이러한 영향을 피할 수 있을 것이다. 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. 그러나 중성자 피폭에서 제논-135를 제거하면 원자로가 장수 핵분열 생성물 세슘-135를 더 많이 생성하게 된다.

부패 및 포획 제품

중성자를 포획하지 않는 Xe 원자는 7개의 장수 핵분열 생성물 중 하나인 Cs로 베타 붕괴를 겪으며, 중성자를 포획하는 Xe는 거의 안정성이 있는 Xe가 된다.

붕괴 전 중성자를 포획할 확률은 중성자속도에 따라 달라지는데, 중성자속은 원자로 종류, 연료 농축 및 출력 수준에 따라 달라지며, Cs/Xe 비율은 지배적인 분기를 매우 일반적인 원자로 조건에 가깝게 전환한다. 중성자를 포획하는 정상상태 원자로 운전 중 Xe의 비율 추정치는 90%,[10] 39%–91%[11] 및 "본질적으로 모두"[12]를 포함한다. 예를 들어, 중성자속 10n14·cm−2·s의−1 (어느 정도 높은) 중성자속에서는 σ = 2.65×10−18 cm2(2.65×106 barn)의 제논 단면에서는 약 1시간의 반감기에 해당하는 2.65×10s의−4−1 포획 확률을 얻을 수 있다. Xe의 9.17시간 반감기와 비교했을 때, 거의 10대 1에 가까운 이 비율은 그러한 조건에서 본질적으로 모든 Xe가 붕괴하기 전에 중성자를 포획한다는 것을 의미한다. 그러나 CANDU 원자로처럼 중성자 유속이 이 값의 10분의 1로 낮아지면 그 비율은 50-50이며, Xe의 절반은 중성자 포획 전에 Cs로 변환된다.

중성자 포획의 136Xe는 중성자 포획보다는 핵분열과 베타 붕괴에 의해 생성되는 Xe, Xe, Xe 및 Xe도 포함하는 최종적인 안정적 핵분열 제논의 일부로 귀결된다.

중성자를 포획하지 않은 Xe, Xe, Xe의 핵은 모두 세슘 동위원소로 분해된다. 핵분열은 대략 같은 양의 Xe, Xe, Xe를 생성하지만 중성자 포획 후 핵분열 세슘은 Cs보다 더 안정적인 Cs(단, 추가적인 중성자 활성화에 대한 Cs가 될 수 있다)와 고방사성 Cs를 포함하고 있다.

공간 제논 진동

지역 간 저속 커플링이 있는 대형 열원로는 제논-135의 균일하지 않은 존재로 인해 공간적 출력 진동이[13] 발생할 수 있다. 제논에 의한 공간적 전력 진동은 전력 분배에 대한 급속한 동요의 결과로 발생하며, 이로 인해 제논과 요오드 분포가 혼란된 전력 분배와 상상을 벗어났다. 이로 인해 제논 및 요오드 분포가 변화하여 초기 섭동과는 반대 방향으로 전력 분배가 변경된다.

제논-135의 순간 생산률은 요오드-135 농도에 따라 달라지며, 따라서 국소 중성자속 이력에 따라 달라진다. 반면 제논-135호의 파괴율은 순간 국부 중성자속도에 따라 달라진다.

지연 발전 및 고 중성자 포획 단면과의 조합은 원자로 운영에 대한 다양한 영향을 발생시킨다. 이 메커니즘은 다음의 네 단계로 설명된다.

  1. 노심 출력분포(예: 축방향 대칭)에서 초기 대칭(예: 축방향 대칭)이 부족하면(예: 상당한 제어봉 이동의 결과) 원자로 노심 내의 핵분열률 불균형이 초래되고, 따라서 요오드-135 빌드 및 제논-135 흡수에서 불균형이 발생한다.
  2. 고플렉스 영역에서는 제논-135번 버너아웃을 통해 유속이 더욱 증가할 수 있고, 저플렉스 영역에서는 제논-135번 증가가 유속이 더욱 감소하는 원인이 된다. 요오드 농도는 유속이 많은 곳에서는 증가하고 유속이 적은 곳에서는 감소한다. 제논 분포의 이러한 변화는 플럭스가 증가(감소)한 부위의 곱셈 특성을 증가(감소)하여 플럭스 기울기를 강화시키는 것과 같다.
  3. 요오드-135 수준이 충분히 쌓이는 즉시 제논으로 부패하면 초기 상황이 역전된다. 이 지역에서는 유속이 감소하고, 이전의 저플렉스 지역은 세력이 증가한다.
  4. 이러한 패턴의 반복은 약 24시간의 주기로 코어를 이동하는 제논 진동을 초래할 수 있다.

전체 전력 레벨의 변화가 거의 없는 상태에서 이러한 진동은 국부 전력 레벨을 크게 변화시킬 수 있다. 이 진동은 코어의 총 출력만 모니터링할 경우 눈에 띄지 않고 위험한 국부 유속 수준에 도달할 수 있다. 따라서 대부분의 PWR은 탠덤 전력 범위 excore 중성자 검출기를 사용하여 코어의 상부와 하부를 별도로 모니터링한다.

참고 항목

참조

  1. ^ "Livechart - Table of Nuclides - Nuclear structure and decay data".
  2. ^ "Livechart - Table of Nuclides - Nuclear structure and decay data".
  3. ^ ""Xenon Poisoning" or Neutron Absorption in Reactors".
  4. ^ Benczer-Koller, Noemie (January 2009). "Chien-shiungwu 1912—1997" (PDF).
  5. ^ Lykknes, Annette (2019-01-02). Women In Their Element: Selected Women's Contributions To The Periodic System. ISBN 9789811206306.
  6. ^ DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 2 (PDF). U.S. Department of Energy. January 1993. Archived from the original (PDF) on 2013-02-14., 페이지 35-42.
  7. ^ DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 2 (PDF). U.S. Department of Energy. January 1993. Archived from the original (PDF) on 2013-02-14., 페이지 35.
  8. ^ Crist, J. E. "Xenon, A Fission Product Poison" (PDF). candu.org. Archived from the original (PDF) on February 3, 2007. Retrieved 2 November 2011.
  9. ^ 제논 붕괴 과도 그래프 웨이백 기계에 2018년 6월 24일 보관
  10. ^ CANDU 기본 원리: 20 제논: 핵분열 제품 독, 2011년 7월 23일 웨이백 기계에 보관
  11. ^ 웨이백 기계에서 2013년 10월 19일 보관된 핵분열 가스 방출 연구에서 Xe와 Kr의 동위원소 구성의 활용
  12. ^ Roggenkamp, Paul L. "The Influence of Xenon-135 on Reactor Operation" (PDF). Westinghouse Savannah River Company. Retrieved 18 October 2013.
  13. ^ "Xenon-135". www.nuclear-power.net. Retrieved 2017-09-19. 그리고

추가 읽기