ヨウ素ピット

ヨウ素ピット（ヨウ素穴またはキセノンピットとも呼ばれる）は、原子炉炉心に短寿命の中性子吸収物質が蓄積することによって原子炉が一時的に機能停止する現象である。主な原因となる同位体は^135Xeであり、これは主に^135Iのベータ崩壊によって生成される。135I^は弱い中性子吸収体であるのに対し、^{135Xeは既知の中性子吸収体}の中で最も強い。原子炉の燃料棒に^135Xeが蓄積すると、核反応を引き起こす中性子の大部分を吸収するため、燃料棒の反応度が著しく低下する。

^{原子炉内に135I}と^135Xeが存在することは、制御棒の位置変化に応じて原子炉の出力が変動する主な原因の一つである。

短寿命の核分裂生成物が核毒として蓄積する現象を原子炉汚染、またはキセノン汚染と呼ぶ。安定な、あるいは長寿命の中性子毒が蓄積する現象を原子炉スラグ化と呼ぶ。

一般的な核分裂生成物の 1 つは¹³⁵ Teであり、これは半減期19 秒で¹³⁵ Iにベータ崩壊します。¹³⁵ I 自体は弱い中性子吸収体です。原子炉内では核分裂率に比例した速度で蓄積され、核分裂率は原子炉の熱出力に比例します。¹³⁵ I は半減期 6.57 時間で¹³⁵ Xeにベータ崩壊します。ウラン核分裂による¹³⁵ Xeの収率は6.3% であり、 ¹³⁵ Xeの約 95% は¹³⁵ Iの崩壊に由来します。

¹³⁵ Xe は、熱中性子に対する断面積が 2.6×10 ⁶バーンである既知の中性子吸収体の中で最も強力であり、^{[ 1 ]}一定期間の運転後に連鎖反応を遅らせたり停止させたりする「毒物」として作用します。これは、プルトニウム生産のためにマンハッタン計画で建設された初期の原子炉で発見されました。その結果、設計者は原子炉の反応度(核燃料の他の原子を核分裂させる核分裂あたりの中性子の数) を高めるための対策を設計に盛り込みました。^{[ 2 ] 135 Xe による原子炉汚染は、}チェルノブイリ原発事故で大きな役割を果たしました。^{[ 3 ]} 

中性子捕獲により、^{135 Xe は136} Xeに変換（「燃焼」）され、これは実質的に^{[ a ]}安定しており、中性子をほとんど吸収しません。

燃焼率は中性子束に比例し、中性子束は原子炉出力に比例します。出力が2倍の原子炉では、キセノンの燃焼率も2倍になります。生成率も原子炉出力に比例しますが、 ^135Iの半減期のため、この生成率は過去数時間の平均出力に依存します。

その結果、一定出力で運転されている原子炉は一定の定常状態平衡濃度を持つが、原子炉出力を下げると、 ^{135Xeの濃度が上昇し、}事実上原子炉を停止させてしまう可能性がある。135Xeによる吸収を相殺するのに十分な中性子がなく、蓄積されたキセノンを燃焼させる力もないため、 ^135Xeが十分に崩壊するまで、原子炉は1～2日間停止状態に維持されなければならない。

¹³⁵ Xe は半減​​期 9.2 時間で¹³⁵ Csにベータ崩壊します。汚染された炉心は、数回の半減期後に自然に回復します。約 3 日間の停止後、炉心は¹³⁵ Xeが除去されたとみなすことができ、反応度計算に誤差が生じることはありません。^{[ 4 ]}

このような状態で原子炉を再起動できない状態は、キセノンによる起動不能またはヨウ素ピットへの陥落と呼ばれ、この状態が続く期間は、キセノンデッドタイム、毒物停止、またはヨウ素ピット深度として知られています。このような状況のリスクのため、初期のソ連の原子力産業では、稼働中の原子炉に対して多くの保守作業が行われました。1 時間を超える停止時間は、キセノンの蓄積につながり、原子炉を長時間停止させ、 核兵器に必要な^239Puの生産量を低下させ、原子炉運転員の調査と処罰につながる可能性があるためです。^{[ 5 ]}

ヨウ素ピット挙動

停止後の原子炉の反応度は、最初は減少し、その後再び増加し、ピット状の形状を呈します。これが「ヨウ素ピット」という名称の由来です。汚染の程度、ピットの深さ、およびそれに伴う停止期間は、停止前のニュートロン束に依存します。135 Xe は主に中性子捕獲ではなく崩壊によって除去されるため、中性子束密度が 5×10 ¹⁶ neutrons m ⁻² s ^{−1未満の原子}炉では、ヨウ素ピットの挙動は観察されません。炉心反応度予備は通常 Dk/k の 10% に制限されているため、火力発電用原子炉は停止後の再始動問題を回避するために、中性子束を最大でも約 5×10 ¹³ neutrons m ⁻² s ⁻¹程度に抑える傾向があります。^{[ 4 ]}

原子炉停止後の炉心における135Xe^の濃度変化は、原子炉の短期的な出力履歴（ ^135Iと^135Xeの初期濃度を決定する）と、その生成および除去速度を左右する同位体の半減期の差によって決まります。135Iの放射能が135Xeの放射能よりも高い場合^、135Xeの^濃度は上昇し、その逆もまた然りです。

原子炉を一定の出力レベルで運転している間、 40～50時間以内に恒常平衡が確立される。このとき、ヨウ素135の生成速度、ヨウ素135からキセノン135への崩壊速度、キセノン136への燃焼速度、およびセシウム135への崩壊速度が、原子炉内のキセノン135の量を一定の出力レベルで維持する。

^135Iの平衡濃度は中性子束φに比例する。しかし、135Xeの平衡濃度はφ > 10 17 neutrons m −2 s −1 の場合^、 中性子 束^にほとんど^依存し^ない。

原子炉出力の増加と中性子束の増加により、135Iの生成と135Xeの消費が増加します^。最初^はキセノンの濃度は減少しますが、その後、過剰な^135Iが崩壊するにつれて、新しい平衡レベルまでゆっくりと再び増加します。典型的な出力増加（50%から100%）の間、^135Xeの濃度は約3時間低下します。^{[ 6 ]}

原子炉出力の低下は、新たな 135I の生成を減少させる^{だけでなく、 135Xe}の燃焼率も低下させます。しばらくの間、利用可能な^135Iの量に応じて 135Xe が蓄積され^、その後、所定の原子炉出力レベルにおける平衡状態まで濃度が再び低下します。135Xe のピーク濃度は^出力低下後約 11.1 時間で発生し、その後約 50 時間で平衡状態に達します。原子炉の完全停止は、出力低下の極端なケースです。^{[ 7 ]}

十分な反応度制御権限があれば、原子炉を再起動できますが、キセノン燃焼過渡現象を慎重に管理する必要があります。制御棒が引き抜かれて臨界に達すると、中性子束が桁違いに増加し、^{135 Xe が中性子を吸収して136} Xeに変換され始めます。原子炉は核毒を燃焼します。このとき反応度が増加するため、制御棒を徐々に再挿入しないと、原子炉出力が上昇します。この燃焼過渡現象の時定数は、原子炉の設計、過去数日間の原子炉の出力レベル履歴（したがって、存在する¹³⁵ Xe と¹³⁵ I の濃度）、および新しい出力設定に依存します。典型的な出力が 50% から 100% に上がる場合、¹³⁵ Xe 濃度は約 3 時間低下します。^{[ 6 ]}

原子炉で初めて^{135 Xe による中毒が発生したのは、1944 年 9 月 28 日、}ハンフォード サイトのパイル 100-B でのことでした。B原子炉は、マンハッタン計画の一環としてデュポン社が建設したプルトニウム生産用原子炉でした。原子炉は 1944 年 9 月 27 日に起動されましたが、その後すぐに出力が予期せず低下し、9 月 28 日の夜には完全に停止しました。翌朝、反応は自然に再開しました。当時デュポン社に勤務していた物理学者のジョン アーチボルド ウィーラーとエンリコ フェルミは、中性子束の低下とそれに伴う停止は、原子炉燃料中の¹³⁵ Xeの蓄積が原因であることを突き止めました。原子炉には予備の燃料チャンネルが備え付けられており、これらを使用して原子炉の通常の運転レベルを上昇させ、蓄積された¹³⁵ Xeの燃焼率を高めました。^{[ 8 ]}

RBMK型のような大型原子炉では、炉心全体にキセノン濃度の著しい不均一性が生じる可能性がある。このような不均一に汚染された炉心、特に低出力時の制御は困難な課題である。チェルノブイリ原発事故は、不均一に汚染された状態から4号炉を復旧させた後に発生した。試験の準備として原子炉出力は大幅に低下し、その後計画された停止が行われた。試験直前、低出力時の燃焼率の低さから135Xeが蓄積したことにより、出力が急激に低下した^。運転員は出力を回復させようと、制御棒の大部分を引き抜いた。運転員は知らなかったが、これらの操作などにより、原子炉は中性子出力と蒸気発生のフィードバックループにさらされる状態になった。その後、欠陥のある停止システムによって出力サージが発生し、4号炉の爆発と破壊につながった。

原子炉設計においては、ヨウ素ピット効果を考慮に入れなければならない。出力密度が高いほど核分裂生成物の生成率が高くなり、結果としてヨウ素濃度も高くなるため、それを補うために使用する核燃料の量と濃縮度を高める必要がある。この反応度予備力がなければ、原子炉停止後、特に使用済み燃料（高燃焼度で核毒が蓄積している）を新しい燃料に交換する直前には、^135I / ^135Xeが十分に崩壊するまで数十時間にわたって再稼働が不可能となる。

流動燃料炉では、燃料が自由に混合されるため、キセノンの不均一性は発生しません。また、溶融塩炉実験では、再循環中に液体燃料を液滴としてガス空間に噴霧することで、キセノンとクリプトンが燃料塩から分離できることが実証されました。^{[ b ]}

• CR Nave。「キセノン中毒」。HyperPhysics 。ジョージア州立大学。2013年3月12日取得。
• Петунин В。 П. Теплоэнергетика ядерных установок。 — М.: Атомиздат、1960 年。
• Левин В。 Е。 Ядерная физика и ядерные реакторы。4-е изд. — М.: Атомиздат、1979 年。