裂變產物中毒

裂變產物中毒指的是在反應堆運行過程中產生的所有裂變產物吸收中子所引起的反應性虧損。裂變產物通常指原始裂變產物即裂變碎片及由它衰變和吸收中子而得到的子體和產物。

熱堆運行後堆內產生的某些裂變產物的中子吸收截面很大，對K有影響，長壽命的稱為“結渣”，短壽命的稱為“毒物”，結渣與毒物對反應性的影響稱中毒效應。

中文名稱	裂變產物中毒
英文名稱	fission products poisoning
定　　義	在反應堆運行過程中產生的所有裂變產物吸收中子所引起的反應性虧損。
套用學科	電力（一級學科），核電（二級學科）

基本介紹

• 中文名：裂變產物中毒
• 外文名：fission product poisoning 
• 對象：氙和釤
• 現象：碘坑，氙振盪
• 原因：裂變產物吸收中子引起反應性虧損
• 碘坑發生時機：停堆後

裂變產物

核裂變反應的結果生成幾個中等質量數的裂變碎片及其衰變產物。有很多可能核裂變方式，其絕大多數是分裂成兩個裂變碎片核。對於熱中子引起的²³⁵U 的裂變來說，已發現了約30多種不同裂變方式，也即約有60多種裂變碎片。裂變碎片的質量數大都分布在72～158之間。幾乎所有的裂變碎片都是不穩定的，它們要經過一系列β及γ衰變。這樣在最終裂變產物中可能包括了有300多種不同核素的各种放射性及穩定核同位素。

裂變產物中毒

某些裂變產物吸收中子所引起的反應性虧損。中子與裂變物質作用發生裂變反應時，裂變物質的原子核一般分裂成兩個中等質量數的核，稱為裂變碎片，並發射出中子和其他放射性射線。這些裂變碎片幾乎都有過大的中子—質子比，經過一系列β衰變後，轉變為許多種穩定核。裂變碎片及其衰變產物統稱裂變產物。

裂變產物中有些元素核，例如¹³⁵Xe、¹⁴⁹Sm、¹⁵¹Sm、¹¹³Cd、¹⁵⁵Gd 和¹⁵⁷Gd 等，具有相當大的熱中子吸收截面，其中¹³⁵Xe 和¹⁴⁹Sm 吸收熱中子尤為強烈。在反應堆內，它們消耗堆內中子，對反應堆有效增殖性造成不利影響，故把這些中子吸收截面大的裂變產物視作“毒素”。

裂變產物中有些核素有較長的半衰期或較強的放射性，這將給它們的運輸及最終安全儲存都帶來一系列的特殊問題。這也是在利用裂變能量時必須考慮的重要問題之一。有些裂變產物如¹³⁵Xe 和¹⁴⁹Sm 都具有相當大的熱中子吸收截面，它們將會吸收反應堆內的熱中子，從而影響到反應堆的中子平衡。因此，對這些裂變產物的產生、衰變及消失的過程要加以認真研究。

氙的不穩定中毒

在熱中子反應堆中，¹³⁵Xe 是引起裂變產物中毒最重要的一種同位素。它通過兩種途徑生成：一是由裂變直接產生的，對於²³⁵U 裂變，它的產額為0.00228；二是從裂變產物¹³⁵I 經β衰變轉化而來，對於²³⁵U 裂變，¹³⁵I 的產額為0.06386，其中91%將轉化為¹³⁵Xe。由此可見，¹³⁵Xe 主要來源於¹³⁵I 的β衰變。右圖表示了碘和氙的生成過程。

碘和氙的生成

當反應堆起動後穩定功率運行時，碘和氙的濃度隨著運行時間的增長而增加，大約經過5～6個該同位素半衰期後，達到平衡濃度(或稱飽和濃度)。這相當於在穩定功率下運行2～3d，就可達到平衡濃度。這時，¹³⁵I 和¹³⁵Xe 的產生率正好等於其消失率，因此它們的濃度保持不變。平衡氙濃度時引起的反應性虧損稱為平衡氙毒。它的大小與反應堆功率密度和核燃料的富集度有關。

反應堆功率改變，或者堆內功率分布較大擾動，都會引起氙的不穩定中毒。停堆後出現的碘抗現象以及由於堆內局部功率擾動激勵的氙振盪現象是瞬態氙的兩個典型例子。

停堆後，碘的生成和氙因吸收中子而消失都停止了。停堆時所積累的碘和氙分別以6.7h和9.2h的半衰期繼續衰變。當碘的濃度比氙的濃度大，且為λ_Xe/λ1倍時，碘衰變成氙的速率，比氙的衰變速率快，則在停堆後的一段時間內，氙的積累暫時增加。與此同時，碘的濃度在不斷下降，碘的衰變也在減弱。於是，氙的濃度達到最大值後就會逐漸下降。

碘坑

停堆後反應堆的反應性隨時間的變化而形成一低谷的現象。碘坑的大小與反應堆的中子注量率有關。中子注量率越高，碘坑越大越深，反應堆設計時必須考慮這一因素。在碘坑期內，若剩餘反應性大於零，反應堆能重新起動;若剩餘反應性小於零，則反應堆無法重新起動，只能等待爬出碘坑後再起動，從而使反應堆再起動受到一定的限制，特別是對剩餘反應性較小的石墨堆。克服的辦法有兩種：一種是在堆內加入更多的燃料，使其有足夠剩餘反應性克服碘坑，但這種方法要有相應的安全措施。另一種是適當地控制停堆程式，使停堆後氙的積累比較少，這樣反應堆再起動將會受到很小的限制。

碘坑深度：停堆後反應堆剩餘反應性下降到最小值的程度。

氙振盪

反應堆內氙濃度和功率分布產生空間振盪的現象。在大型熱中子反應堆內，局部區域功率擾動會引起局部區域氙濃度和增殖係數的變化。反過來，後者又引起前者的變化。兩者相互作用有可能產生氙致功率振盪。如果氙致功率振盪不加以控制和抑制，有可能危及堆芯安全。由於這種氙的瞬態過程比較緩慢，振盪周期比較長，利用控制棒移動能有效地加以控制和抑制。

釤-149中毒

在所有的裂變產物中，釤-149對堆的影響僅次於氙-135。對能量為0.025電子伏的中子，釤-149的吸收截面為40800靶。

釤中毒