キセノン135

キセノン135、 ¹³⁵ゼ

一般的な
シンボル	135ゼー
名前	キセノン-135、135Xe、Xe-135
陽子 ( Z )	54
中性子 ( N )	81
核種データ
自然の豊かさ	0 (合成)
半減期 （t 1/2）	9.14 ± 0.02 時間
スピン	3/2以上
余剰エネルギー	−86 413 ± 4 キロボルト
結合エネルギー	8 398 .476 ± 0.028 keV
崩壊生成物	135セシウム
減衰モード
減衰モード	崩壊エネルギー( MeV )
ベータ崩壊	1.168
キセノンの同位体 核種の完全な表

キセノン 135 ( ¹³⁵ Xe ) は、半減期が約 9.2 時間のキセノンの不安定同位体です。 ¹³⁵ Xe はウランの核分裂生成物であり、最も強力な中性子吸収核毒物(原子炉条件^[2]では200 万バーン^[1] ;最大 300 万バーン^{[1] ) として知られており、}原子炉の運転に大きな影響を与えます。 核分裂によるキセノン 135 の最終的な収率は 6.3% ですが、そのほとんどは核分裂で生成されたテルル 135とヨウ素 135によるものです。

ウラン 235を燃料とする一般的な原子炉では、核分裂生成物としての¹³⁵ Xeの存在が、その中性子吸収断面積が大きいために設計者や操作者に問題を引き起こします。中性子を吸収すると原子炉の出力増加能力が低下する可能性があるため、原子炉はこの影響を軽減するように設計され、操作者はこれらの過渡現象を予測して対処するように訓練されています。この慣行は、第二次世界大戦中にマンハッタン計画によって建設された最初の核分裂炉にまで遡ります。エンリコ・フェルミは¹³⁵ Xe が強力な中性子毒として作用するのではないかと疑い、エミリオ・セグレの助言に従って彼の学生である呉健雄に連絡を取りました。ウーの¹³⁵ Xeに関する未発表の論文は、それが中性子を吸収し、当時ワシントン州ハンフォードでアメリカの爆縮爆弾用のプルトニウムを生成するために使用されていたB原子炉の混乱の原因であったというフェルミの推測を裏付けた。^{[3] [4]}

一定の中性子束レベルでの定常運転期間中、^{135 Xe 濃度は、その原子炉出力の}平衡値まで約 40 ～ 50 時間で増加します。原子炉出力が増加すると、新しい高出力レベルで燃焼が増加するため、¹³⁵ Xe 濃度は最初は減少します。135 Xe 生成の 95% は、半減期が 6.57 時間である 135 I の崩壊によるため、135 Xe の生成は^一定のまま^です。この時点で、^{135 Xe 濃度は最小値に達します。その後、濃度は、}新しい出力レベルの新しい平衡レベル (より正確には定常レベル) まで約 40 ～ 50 時間で増加します。出力変更後の最初の 4 ～ 6 時間の間、濃度の変化の大きさと率は、初期出力レベルと出力レベルの変化量によって決まります。135 ^Xe濃度の変化は、出力レベルの変化が大きいほど大きくなります。原子炉出力が低下すると、プロセスは逆になります。^[5]

ヨウ素135はウランの核分裂生成物で、収率は約6%です（核分裂で生成されたテルル135の崩壊からほぼすぐに生成される^{135 Iも計算に入れます）。 [6]}この¹³⁵ Iは6.57時間の半減期で¹³⁵ Xeに崩壊します。したがって、稼働中の原子炉では¹³⁵ Xeが継続的に生成されています。135 Xeは^中性子吸収断面積が非常に大きいため、原子炉コアの高中性子流環境では、¹³⁵ Xeはすぐに中性子を吸収し、事実上安定します。¹³⁶
Xe（半減期は¹³⁶
Xeは 10 ²¹年を超えており、放射性同位体としては扱われません。) したがって、約 50 時間で、 ^{135 Xe の濃度は、 135} I の崩壊による生成と中性子吸収による破壊がバランスした平衡に達します。

中性子吸収制御棒を挿入して原子炉出力を低下または停止すると、原子炉中性子束が減少し、平衡はまず¹³⁵ Xe 濃度の上昇へと移行します。135 Xe 濃度は原子炉出力の低下後約 11.1 時間でピークに達します。135 Xe の半減期は 9.2 時間であるため、^{135 Xe濃度は}72 時間かけて徐々に低下して低レベルに戻ります。

¹³⁵ Xeの一時的な高レベルと高い中性子吸収断面積により、原子炉の再起動は数時間にわたって困難になります。中性子を吸収する^{135 Xe は制御棒のように機能し、反応性を低減します。135} Xeの影響により原子炉を起動できない状態は、キセノンによる起動不能と呼ばれることもあり、原子炉は「毒で汚染された」状態にあると言われています。^{[7]原子炉が135} Xeの影響を克服できない期間は、「キセノン不感時間」と呼ばれます。

十分な反応度制御権限があれば原子炉を再起動できるが、キセノンのバーンアウト過渡現象は慎重に管理する必要がある。制御棒が引き抜かれ臨界に達すると、中性子束が桁違いに増加し、¹³⁵ Xeが中性子を吸収して核変換し始める。¹³⁶
原子炉は核毒物を燃やし尽くします。これが起こると、反応度と中性子束が増加し、 ^{135 Xeによる中性子吸収の損失に対抗するために制御棒を徐々に再挿入する必要があります。そう}しないと、原子炉の中性子束が増加し続け、さらに多くのキセノン毒が燃やされ、暴走臨界に至ります。この燃焼過渡時の時間定数は、原子炉の設計、過去数日間の原子炉の出力レベルの履歴、および新しい出力設定によって異なります。通常、50%の出力から100%の出力へのステップアップでは、 ¹³⁵ Xe濃度は約3時間低下します。 ^[8]

キセノン中毒はチェルノブイリ原発事故の一因でした。出力低下中に、操作ミスとキセノン中毒が重なり、原子炉の熱出力が停止レベル近くまで低下しました。その結果、乗組員が電力を回復しようとしましたが、原子炉は非常に危険な状態になりました。SCRAM システムの欠陥により、正の反応度が生じ、熱過渡現象と蒸気爆発が発生し、原子炉が破壊されました。

多くの溶融塩炉設計のように、連続再処理を使用する原子炉は、燃料から^{135 Xe を抽出して、これらの影響を回避できる可能性があります。流体燃料炉では、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と、キセノンとクリプトンが燃料塩から抜け出す可能性があることが実証されました。中性子曝露から^{135 Xe を除去すると、中性子の経済性は向上しますが、原子炉は}長寿命の核分裂生成物 ¹³⁵ Csをより多く生成します。長寿命（ただし放射能は 76,000 倍低い）のセシウム 135 は、¹³⁵ Xeの崩壊後に別のタンクで凝縮され、燃料内で生成される半減期が 30.05 年のセシウム 137（¹³⁷ Cs）とは物理的に分離されており、別々に取り扱うことが現実的です（核分裂収率は両方とも約 6% です）。

中性子を捕獲しない¹³⁵ Xe原子はベータ崩壊して7 つの長寿命核分裂生成物の 1 つである¹³⁵ Csになりますが、中性子を捕獲する¹³⁵ Xe はほぼ安定した¹³⁶ Xe になります。

崩壊前に中性子を捕獲する確率は中性子束によって異なり、中性子束自体は原子炉の種類、燃料濃縮度、出力レベルに依存します。また、¹³⁵ Cs / ¹³⁶ Xe 比は、通常の原子炉条件に非常に近いところで優勢な分岐に切り替わります。定常状態の原子炉運転中に中性子を捕獲する^{135 Xe の割合の推定値は、90%、 [9]} 39%～91% ^[10]および「実質的にすべて」です。^[11] たとえば、（やや高い）中性子束 10 ¹⁴ n·cm ⁻² ·s ⁻¹では、キセノン断面積 σ =2.65 × 10 ⁻¹⁸ cm ²（2.65 × 10 ⁶バーン）では捕獲確率は2.65 × 10 ⁻⁴ s ^{−1 で}、これは約 1 時間の半減期に相当します。¹³⁵ Xe の半減期 9.17 時間と比較すると、このほぼ 10 対 1 の比率は、このような条件下では、基本的にすべての^{135 Xe が崩壊する前に中性子を捕獲することを意味します。 しかし、} CANDU原子炉のように中性子束がこの値の 10 分の 1 に低下した場合、比率は 50 対 50 になり、^{135 Xe の半分が中性子捕獲前に135} Csに崩壊します。

^{中性子捕獲による136 Xe は、最終的に安定した核分裂}キセノンの一部になります。これには、中性子捕獲ではなく 核分裂とベータ崩壊によって生成される¹³⁴ Xe、¹³² Xe、および^{131 Xe も含まれます。}

中性子を捕獲していない¹³³ Xe、 137 Xe、および 135 Xe の原子核はすべてベータ崩壊してセシウム同位体になります。核分裂により 133 Xe、137 ^Xe、および135 ^Xeがほぼ同量生成されます^{が、中性子}捕獲後の核分裂セシウムには 135 Cs よりも安定した¹³³ Cs (^ただし、中性子がさらに活性化すると¹³⁴ Csになることもあります) と放射性の高い¹³⁷ Csが含まれます。

領域間のフラックス結合が低い大型熱原子炉では、キセノン135の不均一な存在により、空間出力振動^[12]が発生する場合があります。キセノン誘起空間出力振動は、出力分布の急激な摂動によってキセノンとヨウ素の分布が摂動された出力分布と位相がずれることによって発生します。その結果、キセノンとヨウ素の分布がシフトし、出力分布が最初の摂動とは反対方向に変化します。

キセノン 135 の瞬間的な生成率はヨウ素 135 の濃度に依存し、したがって局所的な中性子束の履歴に依存します。一方、キセノン 135 の破壊率は瞬間的な局所的な中性子束に依存します。

遅延生成と高い中性子捕獲断面積の組み合わせは、原子炉の運転にさまざまな影響を及ぼします。そのメカニズムは次の 4 つのステップで説明されます。

1. 炉心出力分布における初期の対称性の欠如（例えば、軸方向振動の場合の軸対称性）は、（例えば、制御棒の大幅な動きの結果として）原子炉炉心内の核分裂率の不均衡を引き起こし、その結果、ヨウ素 135 の蓄積とキセノン 135 の吸収に不均衡が生じます。
2. 高フラックス領域では、キセノン 135 のバーンアウトによりフラックスがさらに増加し​​ますが、低フラックス領域では、キセノン 135 の増加によりフラックスがさらに減少します。フラックスが高い場所ではヨウ素濃度が増加し、フラックスが低い場所ではヨウ素濃度が減少します。キセノン分布のこのシフトにより、フラックスが増加 (減少) した領域の増倍特性が増加 (減少) し、フラックス傾斜が強化されます。
3. ヨウ素 135 のレベルが十分に高まるとすぐに、キセノンへの崩壊により最初の状況が逆転します。この領域ではフラックスが減少し、以前の低フラックス領域の出力が増加します。
4. これらのパターンが繰り返されると、約 24 時間程度の周期でコアの周りを移動するキセノン振動が発生する可能性があります。

全体的な出力レベルはほとんど変化しませんが、これらの振動により、局所的な出力レベルが大幅に変化する可能性があります。炉心の総出力のみを監視する場合、この振動は気付かれず、危険な局所的なフラックス レベルに達する可能性があります。そのため、ほとんどの PWR では、タンデム出力範囲の炉心外中性子検出器を使用して、炉心の上部と下部を個別に監視します。

• キセノンの同位体
• 停止（原子炉）

• 「キセノン中毒」または原子炉における中性子吸収