El xenón-135 ( 135 Xe ) es un isótopo inestable del xenón con una vida media de aproximadamente 9,2 horas. El 135 Xe es un producto de fisión del uranio y es el veneno nuclear absorbente de neutrones más potente conocido (2 millones de barns ; [1] hasta 3 millones de barns [1] en condiciones de reactor [2] ), con un efecto significativo en el funcionamiento del reactor nuclear . El rendimiento final de xenón-135 a partir de la fisión es del 6,3%, aunque la mayor parte proviene del telurio-135 y el yodo-135 producidos por fisión .
En un reactor nuclear típico alimentado con uranio-235 , la presencia de 135 Xe como producto de fisión presenta problemas a los diseñadores y operadores debido a su gran sección transversal de neutrones para la absorción. Debido a que la absorción de neutrones puede afectar negativamente la capacidad de un reactor nuclear para aumentar la potencia, los reactores están diseñados para mitigar este efecto; los operadores están capacitados para anticipar y reaccionar adecuadamente ante estos transitorios. De hecho, durante la Segunda Guerra Mundial, Enrico Fermi sospechó del efecto del 135 Xe y siguió el consejo de Emilio Segrè al contactar a su estudiante Chien-Shiung Wu . El artículo de Wu sobre el Xe-135, que pronto se publicará, verificó por completo la suposición de Fermi de que absorbía neutrones y perturbaba el reactor B que se estaba utilizando en su proyecto. [3] [4]
Durante los períodos de funcionamiento en estado estacionario a un nivel de flujo de neutrones constante , la concentración de 135 Xe aumenta hasta su valor de equilibrio para esa potencia del reactor en aproximadamente 40 a 50 horas. Cuando se aumenta la potencia del reactor, la concentración de 135 Xe disminuye inicialmente porque el quemado aumenta en el nuevo nivel de potencia más alto. Debido a que el 95% de la producción de 135 Xe proviene de la desintegración de 135 I , que tiene una vida media de 6,57 horas, la producción de 135 Xe permanece constante; en este punto, la concentración de 135 Xe alcanza un mínimo. Luego, la concentración aumenta hasta el nuevo nivel de equilibrio (más exactamente, el nivel de estado estacionario) para el nuevo nivel de potencia en aproximadamente 40 a 50 horas. Durante las 4 a 6 horas iniciales posteriores al cambio de potencia, la magnitud y la tasa de cambio de la concentración dependen del nivel de potencia inicial y de la cantidad de cambio en el nivel de potencia; el cambio de concentración de 135 Xe es mayor para un cambio mayor en el nivel de potencia. Cuando se reduce la potencia del reactor, el proceso se invierte. [5]
El yodo-135 es un producto de fisión del uranio con un rendimiento de alrededor del 6% (contando también el 135 I producido casi inmediatamente a partir de la desintegración del telurio-135 producido por fisión). [6] Este 135 I se desintegra con una vida media de 6,57 horas a 135 Xe. Por lo tanto, en un reactor nuclear en funcionamiento, se produce continuamente 135 Xe. El 135 Xe tiene una sección transversal de absorción de neutrones muy grande, por lo que en el entorno de alto flujo de neutrones de un núcleo de reactor nuclear, el 135 Xe absorbe pronto un neutrón y se vuelve efectivamente estable.136
Xe . (La vida media de136
Xe es >10 21 años y no se trata como un radioisótopo.) Por lo tanto, en aproximadamente 50 horas, la concentración de 135 Xe alcanza el equilibrio donde su creación por desintegración de 135 I se equilibra con su destrucción por absorción de neutrones.
Cuando se reduce la potencia del reactor o se apaga insertando barras de control que absorben neutrones, el flujo de neutrones del reactor se reduce y el equilibrio se desplaza inicialmente hacia una mayor concentración de 135 Xe. La concentración de 135 Xe alcanza su punto máximo aproximadamente 11,1 horas después de que se reduce la potencia del reactor. Dado que el 135 Xe tiene una vida media de 9,2 horas, la concentración de 135 Xe decae gradualmente hasta niveles bajos a lo largo de 72 horas.
El alto nivel temporal de 135 Xe, con su alta sección transversal de absorción de neutrones, hace que sea difícil reiniciar el reactor durante varias horas. El 135 Xe, que absorbe neutrones, actúa como una barra de control, reduciendo la reactividad. La incapacidad de un reactor para arrancar debido a los efectos del 135 Xe se conoce a veces como arranque impedido por xenón, y se dice que el reactor está "envenenado". [7] El período de tiempo en el que el reactor no puede superar los efectos del 135 Xe se denomina "tiempo muerto de xenón".
Si se dispone de suficiente autoridad para controlar la reactividad , el reactor puede reiniciarse, pero el transitorio de quemado de xenón debe gestionarse con cuidado. A medida que se extraen las barras de control y se alcanza la criticidad , el flujo de neutrones aumenta muchos órdenes de magnitud y el 135 Xe comienza a absorber neutrones y a transmutarse en136
Xe . El reactor quema el veneno nuclear. A medida que esto sucede, la reactividad y el flujo de neutrones aumentan, y las barras de control deben reinsertarse gradualmente para contrarrestar la pérdida de absorción de neutrones por el 135 Xe. De lo contrario, el flujo de neutrones del reactor continuará aumentando, quemando aún más veneno de xenón, en un camino hacia una criticidad descontrolada . La constante de tiempo para este transitorio de quema depende del diseño del reactor, el historial del nivel de potencia del reactor durante los últimos días y el nuevo ajuste de potencia. Para un aumento típico del 50% de potencia al 100% de potencia, la concentración de 135 Xe cae durante aproximadamente 3 horas. [8]
El envenenamiento por xenón fue un factor que contribuyó al desastre de Chernóbil ; durante una reducción de potencia, una combinación de error del operador y envenenamiento por xenón provocó que la potencia térmica del reactor cayera a niveles cercanos al apagado. Los esfuerzos resultantes de la tripulación para restablecer la energía colocaron al reactor en una configuración altamente insegura. Una falla en el sistema SCRAM introdujo reactividad positiva, lo que provocó un transitorio térmico y una explosión de vapor que destrozó el reactor.
Los reactores que utilizan reprocesamiento continuo, como muchos diseños de reactores de sal fundida, podrían ser capaces de extraer 135 Xe del combustible y evitar estos efectos. Los reactores de combustible fluido no pueden desarrollar inhomogeneidad del xenón porque el combustible es libre de mezclarse. Además, el Experimento del Reactor de Sal Fundida demostró que rociar el combustible líquido en forma de gotitas a través de un espacio de gas durante la recirculación puede permitir que el xenón y el criptón abandonen las sales del combustible. Eliminar el 135 Xe de la exposición a los neutrones mejora la economía de neutrones, pero hace que el reactor produzca más del producto de fisión de larga duración 135 Cs . El cesio-135, de larga vida (pero 76.000 veces menos radiactivo), se condensa en un tanque separado después de la desintegración del 135 Xe, y está físicamente separado del cesio-137 ( 137 Cs) de vida media de 30,05 años producido en el combustible, y es práctico manipularlos por separado (el rendimiento de fisión es de aproximadamente el 6 % para ambos).
Un átomo de 135 Xe que no captura un neutrón sufre una desintegración beta a 135 Cs , uno de los siete productos de fisión de larga duración , mientras que un 135 Xe que sí captura un neutrón se convierte en 136 Xe casi estable .
La probabilidad de capturar un neutrón antes de la desintegración varía con el flujo de neutrones, que a su vez depende del tipo de reactor, el enriquecimiento del combustible y el nivel de potencia; y la relación 135 Cs / 136 Xe cambia su rama predominante muy cerca de las condiciones habituales del reactor. Las estimaciones de la proporción de 135 Xe durante la operación del reactor en estado estacionario que captura un neutrón incluyen 90%, [9] 39%–91% [10] y "esencialmente todo". [11] Por ejemplo, en un flujo de neutrones (algo alto) de 10 14 n·cm −2 ·s −1 , la sección eficaz del xenón de σ =2,65 × 10 −18 cm2 (2,65 × 10 6 granero) conduciría a una probabilidad de captura de2,65 × 10 −4 s −1 , lo que corresponde a una vida media de aproximadamente una hora. En comparación con la vida media de 9,17 horas del 135 Xe, esta relación de casi diez a uno significa que, en esas condiciones, prácticamente todo el 135 Xe capturaría un neutrón antes de desintegrarse. Pero si el flujo de neutrones se reduce a una décima parte de este valor, como en los reactores CANDU , la relación sería 50-50, y la mitad del 135 Xe se desintegraría en 135 Cs antes de la captura de neutrones.
El 136 Xe proveniente de la captura de neutrones termina siendo parte del eventual xenón de fisión estable que también incluye 134 Xe, 132 Xe y 131 Xe producidos por fisión y desintegración beta en lugar de captura de neutrones.
Los núcleos de 133 Xe, 137 Xe y 135 Xe que no han capturado un neutrón sufren una desintegración beta en isótopos de cesio . La fisión produce 133 Xe, 137 Xe y 135 Xe en cantidades aproximadamente iguales pero, después de la captura de neutrones, el cesio de fisión contiene 133 Cs más estable (que, sin embargo, puede convertirse en 134 Cs tras una mayor activación neutrónica ) y 137 Cs altamente radiactivo que 135 Cs .
Los grandes reactores térmicos con bajo acoplamiento de flujo entre regiones pueden experimentar oscilaciones de potencia espacial [12] debido a la presencia no uniforme de xenón-135. Las oscilaciones de potencia espacial inducidas por xenón ocurren como resultado de perturbaciones rápidas en la distribución de potencia que hacen que la distribución de xenón y yodo esté desfasada con respecto a la distribución de potencia perturbada. Esto da como resultado un cambio en las distribuciones de xenón y yodo que hace que la distribución de potencia cambie en una dirección opuesta a la perturbación inicial.
La tasa de producción instantánea de xenón-135 depende de la concentración de yodo-135 y, por lo tanto, del flujo local de neutrones. Por otra parte, la tasa de destrucción de xenón-135 depende del flujo local instantáneo de neutrones.
La combinación de generación retardada y una sección eficaz de captura de neutrones elevada produce diversos impactos en el funcionamiento del reactor nuclear. El mecanismo se describe en los cuatro pasos siguientes.
Con pocos cambios en el nivel de potencia general, estas oscilaciones pueden cambiar significativamente los niveles de potencia locales. Esta oscilación puede pasar desapercibida y alcanzar niveles de flujo local peligrosos si solo se monitorea la potencia total del núcleo. Por lo tanto, la mayoría de los reactores de agua a presión utilizan detectores de neutrones externos al núcleo con rango de potencia en tándem para monitorear las mitades superior e inferior del núcleo por separado.