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中子毒物
鎖定
- 中文名
- 中子毒物
- 外文名
- Neutron poison
- 釋 義
- 一種具有大中子吸收截面的物質
- 用 途
- 常應用於反應堆物理計算中
- 危 害
- 影響熱利用率與核反應度
- 隸屬學科
- 核物理學
目錄
中子毒物暫時性核分裂產物毒物
一些在核分裂產生的分裂產物具有高中子吸收能力,如:Xe(微觀中子吸收截面σ=2,000,000 b)與Sm(微觀中子吸收截面σ=74,500 b)。因為這兩個物質在反應器內大量吸收中子,進而影響熱利用率與核反應度。尤其在反應器爐心的影響更為明顯,嚴重的話會使連鎖反應缺乏足夠中子而停止
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其中,Xe在反應器中具有最顯著的影響。當反應器要再重新啓動時,由於分裂產物的衰變,使Xe的累積增加(約在反應器關閉後10小時後達到最大值),會使反應器在一段時間內無法立即重啓,這段期間被稱作“死機時間(英語:reactor deadtime)”。在穩定運轉期間,以恆定的中子通量來看,Xe濃度達到長期平衡所需時間約40到50小時。當反應器功率增加時,因為燃燒度隨着功率增加而上升,使得中子產生數目增加,Xe濃度下降。因此,Xe的濃度變化代表的是一種反應度的正向反饋,由其是在大型反應器中更顯重要。
因為95%的Xe是來自於(半衰期約6到7小時)的衰變產物,所以Xe的濃度會保持恆定,此時Xe的濃度會維持在最低值。當反應器功率增加到較高功率時,Xe濃度也會移動到新的平衡。反應器功率下降時則相反。
因為Sm並不具有放射性,所以不會被衰變消耗掉,它會產生與Xe不大相同的問題。Sm濃度會在反應器運轉超過500小時(約3個禮拜)後達到平衡,之後在運轉期間便不再變化,保持恆定。另一箇中子毒物Gd的微觀中子吸收截面σ=200,000 b。
中子毒物累積性核分裂產物毒物
有許多核分裂產物都會吸收中子對反應器造成一定影響。個別來看,它們不會有特別的影響,但累積在一起時則有顯著的效應發生。這些物質被稱為“團塊核分裂產物”,在反應器中以每次分裂產生50靶恩的速率累積。核分裂產物毒物最終會使核燃料的使用效率下降,甚至導致核反應不穩定。在實務上,毒物累積會讓核燃料的可用活期縮短,造成連鎖反應減緩。這就是為什麼燃料再處理十分重要的原因,使用過的核燃料中仍包含約97%的可裂變材料,經過化學的方法分離出來後,與新燃料混和即可再投入反應器中使用,可以節省成本,但有核擴散的疑慮。
其他去除裂變產物方法,如:固態多孔燃料可以讓氣態的裂變產物散逸,或使用氣態、液態的燃料(熔融鹽反應器、可溶水勻相反應器)。這些方法可減輕毒物累積,但會造成安全移除與廢料儲存問題。
其他具有高中子吸收截面的核分裂產物有:Kr、Mo、Nd、Pm。在這些元素的原子量以上,就算是偶數質量數,其放射性同位素仍有較大的吸收截面,允許核種連續地吸收不同能量的中子。較重的錒系元素在核分裂反應後,會有較多的分裂產物落在鑭系元素的範圍,所以其總中子吸收截面較高。
在快反應器中,分裂產物毒物的情形較不一樣,那是因為中子吸收截面在快中子與熱中子之間並不相同。在鉛鉍共晶的鉛冷式快反應爐中,吸收中子而裂變的分裂產物會較總分裂產物多出5%。如:在爐心中,Cs、Ru、Rh、Tc、Pd和Pd;在增殖層中,Sm取代Pd。
中子毒物衰變毒物
除了中子毒物,在反應器中其他的材料也會吸收中子造成衰變,例如:H吸收中子衰變為He。原本氚的半衰期長達12.3年,衰變時間長,對反應器較沒有顯著影響。然而,當反應器停機幾個月後,仍留在爐中的氚可能會吸收中子而衰變為氦-3,造成反應度的負面影響增強。任何在這段期間產生的氦-3,會被隨後的中子—質子變換中反應掉。
中子毒物控制毒物
在運轉中的反應器中,燃料會以單調函數遞減。假如反應器已運轉了很長一段時間,就必須更換燃料以達到臨界質量。而額外燃料所超出的正反應度,必須與中子吸收材料產生的負反應度相抵消。含有中子吸收材料的可移動控制棒是控制反應的一種方法,但並不是所有反應器爐心都適用,要視其形狀而定
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中子毒物可燃毒物
為了控制大量超出的燃料正反應度,在沒有控制棒的情況下,可燃毒物會被裝入爐心。可燃毒物是具有高中子吸收截面的物質,吸收中子後會衰變為低中子吸收截面的新物質。由於毒物的持續衰變,其負反應度影響會逐漸減弱。理想上,它的減弱速率會與燃料消耗速率一致。固定型可燃毒物通常會以硼或釓的化合物形式出現,被作成針狀或盤狀,甚至是直接添加在燃料內部。因為他們可以分佈的較控制棒均勻,所以對功率的影響較小。固定型可燃毒物也可能被離散在爐心中的特定位置,用以控制中子通量,避免某些區塊的通量或功率較大,但現多用固定型的不可燃毒物取代。
中子毒物不可燃毒物
不可燃毒物是一種在爐心週期內持續維持負反應度的物質。當然,並沒有真正的不可燃毒物,但在某些條件下可視為不可燃,例如:鉿。鉿其中一種同位素在吸收中子後衰變為另一種中子吸收劑,並持續5個衰變反應都是類似的情形。這種反應產生的長半衰期可燃毒物即可視為不可燃毒物。
中子毒物可溶毒物
可溶毒物在溶於冷卻劑水後,會均勻分佈在空間中。商用壓水式反應爐中最常見的可溶毒物是硼酸。硼酸會降低熱利用因子,使反應度下降。利用不同的硼酸濃度(析出或溶解),可以容易地調整反應度變化。假如濃度上升,冷卻劑或減速劑會吸收更多中子,產生負反應度。反之則中子吸收下降,反應度上升。但這種濃度變化緩慢,主要是作為輔助方式使用。這種方法可以減少控制棒的使用,使中子通量維持在恆定狀態。所有美製的壓水式反應器都有使用這項系統,美國海軍的反應器與沸水式反應爐則不使用
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硼在很寬的中子能量範圍內均能有效地吸收中子,使反應堆內的鏈式反應受到抑制。因純硼又硬又脆無法加工,實際均採用碳化硼、金屬硼化物等含硼材料。可溶性硼酸在反應堆出事故時被噴射到堆芯中,使反應堆迅速停止運行。釓的中子吸收截面很高,吸收中子後不再具有毒性。在反應堆運行時,它的毒性不斷下降,部分補償了燃料逐漸消耗的效應。
中子毒物中子毒物價值
中子毒物的價值 參考反應堆控制棒價值的定義,控制棒的價值與其所在處的中子通量密度的平方成正比,因此在格架設計中,中子毒物互相干涉的效應是影響其價值的主要因素
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對中子毒物的佈置位置對中子 keff的影響進行研究:①保持小室節距為 23.8 cm 不變,調整BSS 板的佈置位置(相對於組件中心位置);②保持小室寬度為 22.2 cm 不變,調整小室的中心距。BSS板距組件中心的距離L為22.2~23.4 cm,小室節距在為 23.4~24.6 cm 變化,keff均呈線性變化 關係 。初 始 富 集度為 5.0%, 燃耗為 42GW·d·t-1(U)的乏燃料,當格架節距不變,L 每增加 0.1 cm,中子毒物的總價值將減小 470×10-5;L 不變,小室節距每增加 0.2 cm,中子毒物的總價值將增加 633×10-5。
- 參考資料
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- 1. Nuclear poison .United States Nuclear Regulation Committee[引用日期2017-02-12]
- 2. Kruglov , A. K. The history of the Soviet atomic industry, Taylor & Francis, 2002 ISBN 0-415-26970-9, p. 57
- 3. Lamarsh J R, Melkonian E. Introduction to Nuclear Engineering[M]. Addison-Wesley Pub. Co, 1975.
- 4. Morgan L W G, Packer L W. A neutron poison tritium breeding controller applied to a water cooled fusion reactor model[J]. Fusion Engineering & Design, 2014, 89(7–8):1190-1194.
- 5. 於恩江, 劉黎明, 黃懷安. 可溶性中子毒物釓的萃取行為和溶解度的研究[J]. 中國原子能科學研究院年報, 1986, 10(1):1-1.
- 6. 趙均, 韓嵩, 蘇耿華,等. 乏燃料貯存格架吸收體佈置方案對臨界安全的影響研究[J]. 核動力工程, 2014(S2):164-166.