Ob zaustavitvi reaktorja moč zaradi cepitev hitro upade, izotopska sestava goriva pa se še naprej spreminja. V sredici ostanejo produkti predhodnih cepitev, katerih razpad vpliva na njeno nadaljnje obnašanje. Med njimi je za obratovanje posebej pomemben ksenon-135.
Njegov učinek lahko postane izrazitejši šele nekaj ur po zaustavitvi. Možnost ponovnega zagona je zato odvisna tudi od tega, kako dolgo in pri kateri moči je reaktor pred tem obratoval. V tem natančno določenem smislu ima reaktor spomin: preteklo obratovanje je zapisano v količinah izotopov, ki so ostali v gorivu.
Ksenon kot nevtronski strup
Ksenon-135 (Xe-135) je cepitveni produkt z zelo velikim presekom za absorpcijo termičnih nevtronov. Z njihovim zajetjem zmanjšuje število nevtronov, ki bi lahko prispevali k nadaljnjim cepitvam. Zato ga uvrščamo med nevtronske oziroma reaktorske strupe. Izraz opisuje njegov vpliv na nevtronsko bilanco.
Manjši del Xe-135 nastane neposredno pri cepitvi. Večina nastaja prek razpada joda-135 (I-135), ki ima razpolovni čas približno 6,6 ure. Nakopičeni jod tako predstavlja vir nadaljnjega nastajanja ksenona tudi po velikem zmanjšanju hitrosti cepitev.
Xe-135 se odstranjuje po dveh poteh. Z radioaktivnim razpadom nastaja cezij-135, pri čemer je razpolovni čas Xe-135 približno 9,1 ure. Z zajetjem nevtrona pa nastaja Xe-136, ki ima bistveno manjši absorpcijski presek. Za slednji proces se v reaktorski fiziki uporablja tudi izraz izgorevanje ksenona. Gre za jedrsko pretvorbo, katere hitrost je odvisna od nevtronskega toka.
Zakaj po zaustavitvi koncentracija naraste
Pri dovolj dolgem obratovanju na stalni moči se nastajanje in odstranjevanje Xe-135 približata ravnotežju. Njegova koncentracija tedaj ostaja približno stalna, čeprav posamezna jedra neprestano nastajajo in izginjajo.
Po zaustavitvi z visoke moči nevtronski tok močno upade. S tem se skoraj ustavi odstranjevanje ksenona z zajetjem nevtronov. Nakopičeni I-135 medtem še naprej razpada v Xe-135. Dokler na ta način nastaja več ksenona, kot ga izgine z lastnim razpadom, njegova koncentracija narašča.
Začetna rast se postopoma ustavi, ker se zaloga joda zmanjšuje. Vrh koncentracije je dosežen, ko se hitrosti nastajanja in odstranjevanja ksenona izenačita. Nato prevlada odstranjevanje in koncentracija začne upadati. Za razumevanje pojava je zato odločilna bilanca obeh hitrosti; sama primerjava razpolovnih časov joda in ksenona ne zadošča.
Po zaustavitvi iz ustaljenega obratovanja na visoki moči je v učnih primerih vrh pogosto dosežen približno deset ur pozneje. To je orientacijska vrednost. Dejanski čas in višina vrha sta odvisna od začetnih količin joda in ksenona ter predhodnega nevtronskega toka.
Kdaj ksenonska jama prepreči ponovni zagon
Naraščanje koncentracije Xe-135 povečuje njegov negativni prispevek k reaktivnosti. Če spremljamo koncentracijo, vidimo vrh. Če spremljamo ksenonov prispevek k reaktivnosti, vidimo poglobitev v negativno smer. Od tod predstava o ksenonski jami, za katero se v angleški literaturi uporablja tudi izraz iodine pit.
Ksenonski prehodni pojav je širši izraz za časovno spreminjanje koncentracije in učinka ksenona. Začasna nezmožnost ponovnega zagona nastopi šele, ko razpoložljiva pozitivna reaktivnost ne zadošča za kompenzacijo njegovega učinka in doseganje kritičnosti. Kritičnost tu pomeni stanje samovzdrževane verižne reakcije. V angleški literaturi se za tak primer uporablja izraz xenon-precluded startup.
Vrh ksenona sam po sebi še ne pomeni, da bo ponovni zagon onemogočen. Razpoložljiva reaktivnost je odvisna od zasnove in stanja sredice. Pri tlačnovodnem reaktorju se na primer z napredovanjem gorivnega cikla spreminja možnost kompenzacije dodatnega ksenona. Enak čas od zaustavitve zato v različnih delih cikla ne pomeni nujno enakih pogojev za zagon.
Če ksenon preprečuje doseganje kritičnosti, je treba počakati, da njegov učinek z razpadom dovolj oslabi. Čas njegovega največjega učinka zato ni isto kot čas, ko je ponovni zagon spet mogoč.
Pri presoji dovoljenega zagona se hkrati upoštevajo predpisane obratovalne omejitve in stanje elektrarne. Iz ene splošne krivulje zato ni mogoče določiti univerzalnega števila ur čakanja ali sklepati, kdaj je konkretna elektrarna pripravljena na ponovni zagon.
Prehodni pojav ob zmanjšanju in povečanju moči
Ksenonski prehodni pojav nastane tudi pri spremembi moči med obratovanjem. Po zmanjšanju iz ustaljenega stanja se odstranjevanje Xe-135 z zajetjem nevtronov takoj zmanjša, nastajanje iz že prisotnega joda pa se prilagaja počasneje. Koncentracija ksenona zato sprva naraste.
Ker reaktor še obratuje, del odstranjevanja z zajetjem ostane. Pri enakem začetnem stanju je zato vrh po delnem zmanjšanju moči praviloma nižji kot po popolni zaustavitvi. Z nadaljnjim obratovanjem na novi stalni moči se količini joda in ksenona postopoma približata novemu ravnotežju.
Pri povečanju moči iz ustaljenega nižjega stanja je začetni odziv običajno obraten. Višji nevtronski tok pospeši odstranjevanje Xe-135, zato njegova koncentracija najprej pade in njegov negativni reaktivnostni učinek oslabi. Pozneje se poveča prispevek razpada dodatno nastalega joda, ksenon pa se začne približevati novi ravnotežni vrednosti.
Tudi po ponovnem zagonu se ksenonov učinek torej razvija naprej. Pogoji ob doseganju kritičnosti se lahko med dvigovanjem moči precej spremenijo. Za nadaljnje vodenje reaktorja je pomembno, kako hitro se ksenon odstranjuje in koliko joda je še na voljo za njegovo nastajanje.
Pomembna je tudi porazdelitev moči
Količini joda in ksenona nista nujno enakomerno porazdeljeni po sredici. Ker so nastajanje cepitvenih produktov in zajetja nevtronov povezana z lokalnim nevtronskim tokom, se lahko po spremembi obratovalnih pogojev razvije neenakomeren ksenonski odziv.
V nekaterih velikih termičnih reaktorjih lahko zakasnelo nastajanje ksenona prispeva k prostorskim oscilacijam moči. Pri aksialnih oscilacijah se porazdelitev spreminja vzdolž višine sredice. Skupna moč lahko ostaja približno enaka, medtem ko se razmerje med močjo zgornjega in spodnjega dela spreminja.
Za obratovanje so zato pomembni tudi oblika porazdelitve moči in lokalni vrhovi. Ti vplivajo na toplotno obremenitev gorivnih palic in na razpoložljive varnostne rezerve. Napovedovanje ksenonskega odziva je povezano s spremljanjem sredice ter z regulacijo, ki ohranja porazdelitev moči v dovoljenih mejah.
Upad ksenona ponovno spremeni reaktivnost
Ko po vrhu koncentracija Xe-135 upada, sredica postopoma izgublja del absorpcije nevtronov. Ob drugih nespremenjenih pogojih to pomeni povečevanje reaktivnosti. Ta sprememba je pomembna tudi, kadar ponovni zagon sploh ni načrtovan: pri zagotavljanju podkritičnosti zaustavljenega reaktorja je treba upoštevati nadaljnji razpad ksenona.
Za načrtovanje sprememb moči je zato pomemben pričakovani potek skozi več ur. Upoštevati je treba velikost spremembe, trajanje obratovanja na nižji moči in načrtovano vrnitev na višjo moč. Pri tlačnovodnih reaktorjih imajo pri tem vlogo regulacijske palice in raztopljeni bor, konkretne možnosti pa so povezane z zasnovo ter stanjem gorivnega cikla.
Elektrarne z ustrezno zasnovo, analizami in obratovalnimi postopki lahko sledijo spremembam obremenitve. Ksenonski prehodni pojavi so eden od dejavnikov, ki jih je treba pri takšnem obratovanju predvideti in obvladovati. Dovoljena hitrost spremembe moči in možnost poznejše vrnitve na polno moč sta pri tem različni vprašanji.
Ksenonska jama tako dobro pokaže, zakaj je vodenje reaktorja tudi delo s časom. Na odločitev o naslednji spremembi moči vplivajo procesi, ki jih je sprožilo predhodno obratovanje. Del naloge operativne ekipe je razumeti njihovo smer in predvideti, kje bo sredica nekaj ur pozneje.
Trenutna moč pove, koliko reaktor proizvaja. Njegova zgodovina pomaga pojasniti, kako se bo odzval na naslednjo spremembo.
Opomba o slikovnem gradivu
Naslovna fotografija: Sredica Nuklearne elektrarne Krško med menjavo goriva. Foto: Nuklearna elektrarna Krško, 22. april 2009, prek Wikimedia Commons, licenca CC BY-SA 4.0. Fotografija je obrezana in grafično prilagojena za naslovni prikaz.
Shema “Ksenonska jama po zaustavitvi” je delo Elite Studio 3D / By the Protocol, pripravljeno posebej za ta članek kot poenostavljen učni prikaz spreminjanja koncentracij joda-135 in ksenona-135 ter ksenonovega prispevka k reaktivnosti po zaustavitvi reaktorja. Prikazane vrednosti in časovni potek temeljijo na izbranih začetnih pogojih in predpostavkah modela. Shema ne predstavlja projektne ali obratovalne dokumentacije posamezne elektrarne in ne določa dovoljenega časa ponovnega zagona.
Viri
CANDU Fundamentals, poglavje 20 Xenon A Fission Product Poison. Strani 205 do 210. Nastajanje in odstranjevanje Xe-135 ter razpolovni časi. CANteach.
U.S. Department of Energy, Nuclear Physics and Reactor Theory, Volume 2. DOE-HDBK-1019/2-93, 1993. Modul NP-03, poglavje Xenon, strani 35 do 42.
U.S. Nuclear Regulatory Commission, Westinghouse Technology 2.1 Reactor Physics Review. Učno gradivo NRC, ADAMS ML11223A207. Ksenonski prehodni pojav in pogoji za ponovni zagon.
Canadian Nuclear Safety Commission, Science and Reactor Fundamentals Reactor Physics. Technical Training Group, Revision 1, januar 2003. Poglavje 5, zlasti spremembe moči in ponovni zagon. CANteach.
OECD Nuclear Energy Agency, Technical and Economic Aspects of Load Following with Nuclear Power Plants. Junij 2011. Poglavji 3.1 in 3.2. Fizikalne omejitve in načini prilagajanja moči.
IAEA, Non baseload Operation in Nuclear Power Plants. Nuclear Energy Series NP-T-3.23, 2018. Poglavji 5.1.1 in 5.2.4 ter priloga I. Regulacija, porazdelitev moči in obratovalne omejitve.
U.S. Nuclear Regulatory Commission, Issue 185 Control of Recriticality Following Small Break LOCA in PWRs. Uporabljena je razlaga časovnega poteka ksenona, vpliva gorivnega cikla in podkritičnosti po zaustavitvi.
jedrska energija jod-135 ksenon-135 ksenonska jama ksenonski prehodni pojav nevtronski strupi ponovni zagon reaktorja reaktivnost reaktorska fizika zaustavitev reaktorja
Last modified: 19. oktobra 2026
