[科普中国]-裂变毒物

简介

中子与可裂变物质作用发生裂变反应时，可裂变物质的原子核一般分裂成两个中等质量数的核，称为裂变碎片，并发射出中子和其他放射性射线。这些裂变碎片几乎都有过大的中子一质子比，经过一系列β衰变后，转变为许多种稳定核。裂变碎片及其衰变产物统称裂变产物。某些裂变产物吸收中子所引起的反应性亏损。裂变产物中有些元素核，如135Xe，149Sm，151Sm，113Cd，155Gd和157Gd等，具有相当大的热中子吸收截面，其中Xe和Sm吸收热中子尤为强烈。在反应堆内，它们消耗堆内中子，对反应堆有效增殖性造成不利影响，故把这些中子吸收截面大的裂变产物视作“毒素”。 2

裂变反应一个重原子核分裂为两个质量相近的较轻原子核(裂块)，同时还可能放出中子的过程(也有分裂为更多裂块的情形，但几率很小)。有自发裂变和感生裂变两种，自发裂变是重核不稳定性的一种表现，其裂变半衰期一般很长，如铀238自发裂变的半衰期为1016年。感生裂变是重核在受到中子、带电粒子或光子的轰击时立即发生的裂变。例如铀235在受到热中子轰击时发生裂变，同时释放出2—3个中子和巨大的能量。1个铀原子核分裂为两个中等核时要放出2亿电子伏特能量；1公斤铀中大约有个铀原子核，它们全部裂变后所放出的能量约为千卡，这相当于2万吨TNT炸药爆炸时所放出的能量。当一个中子轰击铀核，使之分裂放出巨大能量的同时，可释放出2—3个新的中子，这2—3个新中子作为“炮弹”对铀核进行轰击，又可使2—3个铀核分裂，放出4—9个更新的中子，这些中子又引起别的铀核分裂……。这样一代一代进行下去，产生的中子越来越多，被分裂的铀核也越来越多，因此，在很短的瞬间就有大量的核发生裂变，释放出惊人的能量来。这种连续不断的裂变反应叫做链式反应。原子弹就是根据这种链式裂变反应原理设计的。除了铀235外，钚239和铀223在中子作用下，也容易发生裂变反应。 3

中毒效应全称“反应性的毒渣效应”，亦称“氙毒效应”。指裂变产物及其衰变物对反应性的影响。稳定或长寿命的裂变产物称“结渣”，短寿命的称“毒物”；前者主要指钐(Sm)，后者主要指氙(Xe)。因毒渣中氙135热中子吸收截面大，大约为3.5×10×10cm(中子能量为0.084eV时)；产额高，约占裂变产物总量的6%左右，故中毒效应主要指氙135浓度变化对反应性的影响。通常，由碲135(Te) 衰变而成的氙135约占总裂变产物的5.6%，裂变直接产生的占0.3% 左右。氙135通过吸收中子和自身衰变而消失。反应堆起动后约30小时氙浓度达到平衡。平衡氙浓度与反应堆运行功率有关，功率越高，平衡氙浓度亦越大。反应堆停堆后约 10小时氙浓度可达最大值，此时因中毒效应导致反应堆的后备反应性显著减小，故使反应堆的再启动比较困难，运行人员应予以充分重视。4

裂变产物毒性135Xe裂变毒物产生在热中子反应堆中，135Xe是引起裂变产物中毒最重要的一种同位素。它通过两种途径生成：一是由裂变直接产生的，对于235U裂变，它的产额为0.00228；二是从裂变产物135I经β衰变转化而来，对于235U裂变，135I的产额为0.06386，其中91%将转化为135Xe。由此可见，135Xe主要来源于135I的β衰变。

平衡氙毒当反应堆起动后稳定功率运行时，碘和氙的浓度随着运行时间的增长而增加，大约经过5～6个该同位素半衰期后，达到平衡浓度(或称饱和浓度)。这相当于在稳定功率下运行2～3d，就可达到平衡浓度。这时，135I和135Xe的产生率正好等于其消失率，因此它们的浓度保持不变。平衡氙浓度时引起的反应性亏损称为平衡氙毒。它的大小与反应堆功率密度和核燃料的富集度有关。

反应堆功率改变，或者堆内功率分布较大扰动，都会引起氙的不稳定中毒。停堆后出现的碘抗现象以及由于堆内局部功率扰动激励的氙振荡现象是瞬态氙的两个典型例子。

停堆后，碘的生成和氙因吸收中子而消失都停止了。停堆时所积累的碘和氙分别以6.7h和9.2h的半衰期继续衰变。当碘的浓度比氙的浓度大，且为倍时，碘衰变成氙的速率，比氙的衰变速率快，则在停堆后的一段时间内，氙的积累暂时增加。与此同时，碘的浓度在不断下降，碘的衰变也在减弱。于是，氙的浓度达到最大值后就会逐渐下降。

碘坑停堆后反应堆的反应性随时间的变化而形成一低谷的现象。碘坑的大小与反应堆的中子注量率有关。中子注量率越高，碘坑越大越深，反应堆设计时必须考虑这一因素。在碘坑期内，若剩余反应性大于零，反应堆能重新起动;若剩余反应性小于零，则反应堆无法重新起动，只能等待爬出碘坑后再起动，从而使反应堆再起动受到一定的限制，特别是对剩余反应性较小的石墨堆。克服的办法有两种：一种是在堆内加入更多的燃料，使其有足够剩余反应性克服碘坑，但这种方法要有相应的安全措施。另一种是适当地控制停堆程序，使停堆后氙的积累比较少，这样反应堆再起动将会受到很小的限制。2

氙致功率振荡反应堆内氙浓度和功率分布产生空间振荡的现象。在大型热中子反应堆内，局部区域功率扰动会引起局部区域氙浓度和增殖系数的变化。反过来，后者又引起前者的变化。两者相互作用有可能产生氙致功率振荡。如果氙致功率振荡不加以控制和抑制，有可能危及堆芯安全。由于这种氙的瞬态过程比较缓慢，振荡周期比较长，利用控制棒移动能有效地加以控制和抑制。 2