El pozo de yodo , también llamado agujero de yodo o pozo de xenón , es una desactivación temporal de un reactor nuclear debido a la acumulación de venenos nucleares de vida corta en el núcleo del reactor . El principal isótopo responsable es 135 Xe , producido principalmente por la desintegración natural de 135 I. 135 I es un absorbedor de neutrones débil , mientras que 135 Xe es el absorbedor de neutrones más fuerte conocido. Cuando 135 Xe se acumula en las barras de combustible de un reactor, reduce significativamente su reactividad , al absorber una cantidad significativa de los neutrones que proporcionan la reacción nuclear.
La presencia de 135 I y 135 Xe en el reactor es una de las principales razones de sus fluctuaciones de potencia en reacción al cambio de posiciones de las barras de control .
La acumulación de productos de fisión de corta duración que actúan como venenos nucleares se denomina envenenamiento del reactor o envenenamiento por xenón . La acumulación de venenos neutrónicos estables o de larga duración se denomina escoria del reactor .
Uno de los productos de fisión más comunes es el 135 Te , que sufre una desintegración beta con una vida media de 19 segundos hasta convertirse en 135 I. El 135 I es un débil absorbente de neutrones. Se acumula en el reactor a una velocidad proporcional a la velocidad de fisión, que es proporcional a la potencia térmica del reactor. El 135 I sufre una desintegración beta con una vida media de 6,57 horas hasta convertirse en 135 Xe . El rendimiento de 135 Xe para la fisión del uranio es del 6,3 %; aproximadamente el 95 % del 135 Xe se origina a partir de la desintegración del 135 I.
El 135 Xe es el absorbedor de neutrones más potente conocido , con una sección transversal para neutrones térmicos de 2,6 × 10 6 barns , [1] por lo que actúa como un " veneno " que puede ralentizar o detener la reacción en cadena después de un período de funcionamiento. Esto se descubrió en los primeros reactores nucleares construidos por el Proyecto Manhattan para la producción de plutonio . Como resultado, los diseñadores hicieron previsiones en el diseño para aumentar la reactividad del reactor (la cantidad de neutrones por fisión que pasan a fisionar otros átomos del combustible nuclear ). [2] El envenenamiento del reactor con 135 Xe jugó un papel importante en el desastre de Chernóbil . [3]
Por captura de neutrones , el 135 Xe se transforma ("se quema") en 136 Xe , que es efectivamente estable y no absorbe significativamente neutrones.
La tasa de combustión es proporcional al flujo de neutrones , que a su vez es proporcional a la potencia del reactor; un reactor que funcione al doble de potencia tendrá el doble de tasa de combustión de xenón. La tasa de producción también es proporcional a la potencia del reactor, pero debido al tiempo de vida media del 135 I, esta tasa depende de la potencia promedio durante las últimas horas.
Como resultado, un reactor que funciona a potencia constante tiene una concentración de equilibrio en estado estacionario fija, pero al reducir la potencia del reactor, la concentración de 135 Xe puede aumentar lo suficiente como para apagar el reactor de manera efectiva. Sin suficientes neutrones para compensar su absorción por 135 Xe, ni para quemar el xenón acumulado, el reactor debe mantenerse en estado de apagado durante 1 o 2 días hasta que se desintegra una cantidad suficiente de 135 Xe.
El 135 Xe se desintegra en 135 Cs con una vida media de 9,2 horas ; un núcleo envenenado se recuperará espontáneamente después de varias vidas medias. Después de unos 3 días de inactividad, se puede suponer que el núcleo está libre de 135 Xe, sin que esto introduzca errores en los cálculos de reactividad. [4]
La incapacidad del reactor para reiniciarse en ese estado se llama arranque impedido por xenón o caída en un pozo de yodo ; la duración de esta situación se conoce como tiempo muerto de xenón , parada por envenenamiento o profundidad del pozo de yodo . Debido al riesgo de tales situaciones, en la industria nuclear soviética temprana, muchas operaciones de servicio se realizaban en reactores en funcionamiento, ya que los tiempos de inactividad superiores a una hora provocaban una acumulación de xenón que podía mantener el reactor fuera de servicio durante un tiempo significativo, reducir la producción de 239 Pu , necesario para las armas nucleares, y dar lugar a investigaciones y castigos de los operadores del reactor. [5]
La interdependencia de la acumulación de 135 Xe y el flujo de neutrones puede conducir a fluctuaciones periódicas de potencia. En reactores grandes, con poco acoplamiento de flujo de neutrones entre sus regiones, las no uniformidades del flujo pueden conducir a la formación de oscilaciones de xenón , variaciones locales periódicas de la potencia del reactor que se mueven a través del núcleo con un período de aproximadamente 15 horas. Una variación local del flujo de neutrones causa un aumento en la combustión de 135 Xe y la producción de 135 I; el agotamiento de 135 Xe aumenta la reactividad en la región del núcleo. La densidad de potencia local puede cambiar en un factor de tres o más, mientras que la potencia promedio del reactor permanece más o menos sin cambios. Un coeficiente de reactividad de temperatura fuertemente negativo causa la amortiguación de estas oscilaciones y es una característica deseada del diseño del reactor. [4]
La reactividad del reactor después de la parada primero disminuye, luego aumenta nuevamente, teniendo una forma de pozo; esto le dio al "pozo de yodo" su nombre. El grado de envenenamiento, y la profundidad del pozo y la duración correspondiente de la parada, dependen del flujo de neutrones antes de la parada. El comportamiento del pozo de yodo no se observa en reactores con una densidad de flujo de neutrones por debajo de 5×10 16 neutrones m −2 s −1 , ya que el 135 Xe se elimina principalmente por desintegración en lugar de captura de neutrones. Como la reserva de reactividad del núcleo generalmente está limitada al 10% de Dk/k, los reactores de potencia térmica tienden a utilizar un flujo de neutrones como máximo de aproximadamente 5×10 13 neutrones m −2 s −1 para evitar problemas de reinicio después de la parada. [4]
Los cambios de concentración de 135 Xe en el núcleo del reactor después de su apagado están determinados por el historial de energía a corto plazo del reactor (que determina las concentraciones iniciales de 135 I y 135 Xe), y luego por las diferencias de vida media de los isótopos que rigen las tasas de su producción y eliminación; si la actividad de 135 I es mayor que la actividad de 135 Xe, la concentración de 135 Xe aumentará, y viceversa.
Durante el funcionamiento del reactor a un nivel de potencia determinado, se establece un equilibrio secular en 40 a 50 horas, cuando la tasa de producción de yodo-135, su desintegración a xenón-135 y su combustión a xenón-136 y desintegración a cesio-135 mantienen constante la cantidad de xenón-135 en el reactor a un nivel de potencia determinado.
La concentración de equilibrio de 135 I es proporcional al flujo de neutrones φ. Sin embargo, la concentración de equilibrio de 135 Xe depende muy poco del flujo de neutrones para φ > 10 17 neutrones m −2 s −1 .
El aumento de la potencia del reactor y del flujo de neutrones provoca un aumento de la producción de 135 I y del consumo de 135 Xe. Al principio, la concentración de xenón disminuye, pero luego vuelve a aumentar lentamente hasta alcanzar un nuevo nivel de equilibrio, ya que el exceso de 135 I se desintegra. Durante los aumentos de potencia típicos del 50 al 100 %, la concentración de 135 Xe disminuye durante unas 3 horas. [6]
La disminución de la potencia del reactor reduce la producción de nuevo 135 I, pero también reduce la velocidad de combustión del 135 Xe. Durante un tiempo, el 135 Xe se acumula, determinado por la cantidad de 135 I disponible, y luego su concentración disminuye nuevamente hasta alcanzar un equilibrio para el nivel de potencia del reactor dado. La concentración máxima de 135 Xe se produce después de aproximadamente 11,1 horas después de la disminución de potencia, y el equilibrio se alcanza después de aproximadamente 50 horas. Un apagado total del reactor es un caso extremo de disminución de potencia. [7]
Si se dispone de suficiente autoridad para controlar la reactividad , el reactor puede reiniciarse, pero se debe gestionar con cuidado un transitorio de quemado de xenón . 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 en 136 Xe. El reactor quema el veneno nuclear. A medida que esto sucede, la reactividad aumenta y las barras de control deben reinsertarse gradualmente o aumentará la potencia del reactor. La constante de tiempo para este transitorio de quemado depende del diseño del reactor, del historial de niveles de potencia del reactor durante los últimos días (por lo tanto, de las concentraciones de 135 Xe y 135 I presentes) y del nuevo ajuste de potencia. Para un aumento típico del 50 % de potencia al 100 %, la concentración de 135 Xe disminuye durante aproximadamente 3 horas. [6]
La primera vez que se produjo un envenenamiento por 135 Xe en un reactor nuclear fue el 28 de septiembre de 1944, en la pila 100-B del emplazamiento de Hanford. El reactor B era un reactor de producción de plutonio construido por DuPont como parte del Proyecto Manhattan. El reactor se puso en marcha el 27 de septiembre de 1944, pero la potencia se redujo inesperadamente poco después, lo que provocó un apagado completo la tarde del 28 de septiembre. A la mañana siguiente, la reacción se reinició por sí sola. Los físicos John Archibald Wheeler , que trabajaba para DuPont en ese momento, y Enrico Fermi pudieron identificar que la caída del flujo de neutrones y el consiguiente apagado se debió a la acumulación de 135 Xe en el combustible del reactor. El reactor se construyó con canales de combustible de repuesto que luego se utilizaron para aumentar los niveles de funcionamiento normales del reactor, aumentando así la tasa de quemado del 135 Xe acumulado. [8]
Los reactores de grandes dimensiones físicas, como por ejemplo el tipo RBMK , pueden desarrollar concentraciones de xenón no uniformes en todo el núcleo. El control de estos núcleos envenenados de forma no homogénea, especialmente a baja potencia, es un problema complicado. El desastre de Chernóbil se produjo después de recuperar el reactor 4 de un estado de envenenamiento no uniforme. La potencia del reactor se redujo significativamente en preparación para una prueba, a la que seguiría una parada programada. Justo antes de la prueba, la potencia se desplomó en parte debido a la acumulación de 135 Xe como resultado de la baja tasa de combustión a baja potencia. Los operadores retiraron la mayoría de las barras de control en un intento de restablecer la potencia. Sin que los operadores lo supieran, estas y otras acciones pusieron al reactor en un estado en el que quedó expuesto a un bucle de retroalimentación de potencia de neutrones y producción de vapor. Un sistema de parada defectuoso provocó entonces una subida de tensión que llevó a la explosión y destrucción del reactor 4.
El efecto de la fosa de yodo debe tenerse en cuenta en el diseño de los reactores. Los altos valores de densidad de potencia , que dan lugar a altas tasas de producción de productos de fisión y, por tanto, a mayores concentraciones de yodo, requieren una mayor cantidad y enriquecimiento del combustible nuclear utilizado para compensarlo. Sin esta reserva de reactividad, una parada del reactor impediría su reinicio durante varias decenas de horas hasta que el 135I / 135Xe se desintegrara lo suficiente, especialmente poco antes de sustituir el combustible gastado (con un alto grado de quemado y venenos nucleares acumulados ) por uno nuevo.
Los reactores de combustible líquido no pueden desarrollar una falta de homogeneidad del xenón porque el combustible puede mezclarse libremente. Además, el experimento del reactor de sales fundidas 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. [b]