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 corta duración en el núcleo del reactor . El principal isótopo responsable es el 135 Xe , producido principalmente por la desintegración natural del 135 I. El 135 I es un absorbente de neutrones débil , mientras que el 135 Xe es el absorbente de neutrones más fuerte conocido. Cuando el 135 Xe se acumula en las barras de combustible de un reactor, reduce significativamente su reactividad , al absorber una cantidad importante 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 las fluctuaciones de potencia en reacción al cambio de posición de las barras de control .
La acumulación de productos de fisión de vida corta que actúan como venenos nucleares se denomina envenenamiento del reactor o envenenamiento por xenón . La acumulación de venenos de neutrones estables o de larga duración se denomina escoria del reactor .
Uno de los productos de fisión comunes es el 135 Te , que sufre desintegración beta con una vida media de 19 segundos para el 135 I. El 135 I en sí mismo es un absorbente de neutrones débil. Se acumula en el reactor a un ritmo proporcional a la velocidad de fisión, que es proporcional a la potencia térmica del reactor. El 135 I sufre desintegración beta con una vida media de 6,57 horas frente al 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.
135 Xe es el absorbente de neutrones más potente conocido , con una sección transversal para neutrones térmicos de 2,6×10 6 graneros , [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 tomaron disposiciones en el diseño para aumentar la reactividad del reactor (el número de neutrones por fisión que luego fisionan otros átomos de combustible nuclear ). [2] El envenenamiento del reactor 135 Xe jugó un papel importante en el desastre de Chernobyl . [3]
Mediante captura de neutrones , el 135 Xe se transforma ("quema") en 136 Xe , que es efectivamente [a] estable y no absorbe neutrones de manera significativa.
La velocidad de combustión es proporcional al flujo de neutrones , que es proporcional a la potencia del reactor; un reactor funcionando al doble de potencia tendrá el doble de velocidad de combustión de xenón. La tasa de producción también es proporcional a la potencia del reactor, pero debido a la vida media del 135 I, esta tasa depende de la potencia promedio de las últimas horas.
Como resultado, un reactor que opera a potencia constante tiene una concentración fija de equilibrio en estado estacionario, pero cuando se reduce la potencia del reactor, la concentración de 135 Xe puede aumentar lo suficiente como para apagar efectivamente el reactor. Sin suficientes neutrones para compensar su absorción por 135 Xe, ni para quemar el xenón acumulado, el reactor debe mantenerse apagado durante 1 o 2 días hasta que se desintegre una cantidad suficiente de 135 Xe.
135 Xe desintegra beta con una vida media de 9,2 horas a 135 Cs ; un núcleo envenenado se recuperará espontáneamente después de varias vidas medias. Después de aproximadamente 3 días de apagado, 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 tal estado se denomina arranque impedido por xenón o caída en un pozo de yodo ; La duración de esta situación se conoce como tiempo muerto de xenón , interrupción por envenenamiento o profundidad del pozo de yodo . Debido al riesgo de tales situaciones, en la temprana industria nuclear soviética, muchas operaciones de mantenimiento 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 y reducir la producción de 239 Pu. , requerido para las armas nucleares, y daría lugar a investigaciones y castigos a los operadores de los reactores. [5]
La interdependencia de la acumulación de 135 Xe y el flujo de neutrones puede provocar fluctuaciones periódicas de energía. En los reactores grandes, con poco acoplamiento del flujo de neutrones entre sus regiones, las faltas de uniformidad 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 provoca un aumento del quemado de 135 Xe y la producción de 135 I, el agotamiento de 135 Xe aumenta la reactividad en la región central. La densidad de potencia local puede variar en un factor de tres o más, mientras que la potencia media del reactor permanece más o menos sin cambios. Un fuerte coeficiente de reactividad de temperatura negativo provoca 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 forma de pozo; esto le dio su nombre al "pozo de yodo". El grado de intoxicación, la profundidad de la fosa y la correspondiente duración del corte dependen del flujo de neutrones antes de la parada. El comportamiento de las picaduras de yodo no se observa en reactores con una densidad de flujo de neutrones inferior a 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 suele estar 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 del apagado. [4]
Los cambios de concentración de 135 Xe en el núcleo del reactor después de su parada 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 en las vidas medias de los isótopos. regular los ritmos 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 un plazo de 40 a 50 horas, cuando la tasa de producción de yodo-135, su desintegración a xenón-135, su combustión a xenón-136 y su desintegración a cesio-135 son iguales. manteniendo 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 el aumento del flujo de neutrones provocan un aumento de la producción de 135 I y del consumo de 135 Xe. Al principio, la concentración de xenón disminuye, luego aumenta lentamente de nuevo hasta un nuevo nivel de equilibrio, ya que ahora el exceso de 135 I decae. Durante los aumentos típicos de potencia del 50 al 100 %, la concentración de 135 Xe cae durante aproximadamente 3 horas. [6]
La disminución de la potencia del reactor reduce la producción del nuevo 135 I, pero también reduce la tasa de combustión del 135 Xe. Durante un tiempo se acumula 135 Xe, gobernado por la cantidad de 135 I disponible, luego su concentración disminuye nuevamente hasta un equilibrio para el nivel de potencia del reactor dado. La concentración máxima de 135 Xe se produce aproximadamente 11,1 horas después de la disminución de potencia, y el equilibrio se alcanza después de aproximadamente 50 horas. Una parada total del reactor es un caso extremo de disminución de potencia. [7]
Si se dispone de suficiente autoridad de control de la reactividad , se puede reiniciar el reactor, 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 en 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 quema depende del diseño del reactor, el historial del nivel de potencia del reactor durante los últimos días (por lo tanto, las concentraciones de 135 Xe y 135 I presentes) y la nueva configuración de potencia. Para un aumento típico del 50 % de potencia al 100 % de potencia, la concentración de 135 Xe cae durante aproximadamente 3 horas. [6]
La primera vez que se produjo un envenenamiento de un reactor nuclear con 135 Xe fue el 28 de septiembre de 1944, en la pila 100-B del sitio de Hanford. El Reactor B fue 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 poco después la potencia cayó inesperadamente, lo que provocó un apagado total la tarde del 28 de septiembre. A la mañana siguiente, la reacción se reinició por sí sola. Los físicos John Archibald Wheeler , que entonces trabajaba para DuPont, y Enrico Fermi pudieron identificar que la caída del flujo de neutrones y la consiguiente parada se debía 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 operativos normales del reactor, aumentando así la tasa de quemado del 135 Xe acumulado. [8]
Los reactores con grandes dimensiones físicas, por ejemplo el tipo RBMK , pueden desarrollar importantes faltas de uniformidad en la concentración de xenón a través del núcleo. El control de estos núcleos envenenados de forma no homogénea, especialmente a baja potencia, es un problema desafiante. El desastre de Chernobyl ocurrió 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, seguida de 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 quemado a baja potencia. Los operadores retiraron la mayoría de las barras de control en un intento de restablecer la energía. Sin que los operadores lo supieran, estas y otras acciones pusieron al reactor en un estado en el que quedó expuesto a un circuito de retroalimentación de energía de neutrones y producción de vapor. Un sistema de apagado defectuoso provocó una subida de tensión que provocó la explosión y destrucción del reactor 4.
El efecto del pozo de yodo debe tenerse en cuenta en el diseño de los reactores. Los valores elevados de densidad de potencia , que conducen 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 compensar. Sin esta reserva de reactividad, una parada del reactor impediría su reinicio durante varias decenas de horas hasta que el 135 I/ 135 Xe se desintegre lo suficiente, especialmente poco antes de la sustitución del combustible gastado (con alto quemado y venenos nucleares acumulados ) por uno nuevo.
Los reactores de combustible fluido no pueden desarrollar falta de homogeneidad del xenón porque el combustible se puede mezclar libremente. Además, el experimento del reactor de sales fundidas demostró que rociar el combustible líquido en forma de gotas a través de un espacio de gas durante la recirculación puede permitir que el xenón y el criptón abandonen las sales del combustible. [b]