中子毒物

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中子毒物英语Neutron poison)是一種具有大中子吸收截面的物質,由於會對連鎖反應造成負面影響,而被稱為「毒物」,常應用於反應堆物理計算中。[1]在反應堆中,我們盡可能希望中子由可裂變物質吸收,使之發生核分裂。然而,一些物質具有強烈的中子捕獲現象,會導致降低反應器運轉的反應性。有些毒物會在反應器運轉過程中吸收中子而消耗掉,但有些則保持不變。

中子被短半衰期核分裂產物吸收稱為「反應堆中毒」;中子被長半衰期或穩定的核分裂產物吸收稱為「反應器結渣」。[2]

暫時性核分裂產物毒物[编辑]

一些在核分裂產生的分裂產物具有高中子吸收能力,如:135Xe(微觀中子吸收截面σ=2,000,000 b)與149Sm(微觀中子吸收截面σ=74,500 b)。因為這兩個物質在反應器內大量吸收中子,進而影響熱利用率與核反應度。尤其在反應器爐心的影響更為明顯,嚴重的話會使連鎖反應缺乏足夠中子而停止。

其中,135Xe在反應器中具有最顯著的影響。當反應器要再重新啟動時,由於分裂產物的衰變,使135Xe的累積增加(約在反應器關閉後10小時後達到最大值),會使反應器在一段時間內無法立即重啟,這段期間被稱作「死機時間(英语reactor deadtime)」。[3]在穩定運轉期間,以恆定的中子通量來看,135Xe濃度達到長期平衡所需時間約40到50小時。當反應器功率增加時,因為燃燒度隨著功率增加而上升,使得中子產生數目增加,135Xe濃度下降。[4]因此,135Xe的濃度變化代表的是一種反應度的正向反饋,由其是在大型反應器中更顯重要。

因為95%的135Xe是來自於135I(半衰期約6到7小時)的衰變產物,所以135Xe的濃度會保持恆定,此時135Xe的濃度會維持在最低值。當反應器功率增加到較高功率時,135Xe濃度也會移動到新的平衡。反應器功率下降時則相反。[5]

因為149Sm並不具有放射性,所以不會被衰變消耗掉,它會產生與135Xe不大相同的問題。149Sm濃度會在反應器運轉超過500小時(約3個禮拜)後達到平衡,之後在運轉期間便不再變化,保持恆定。[6]另一個中子毒物157Gd的微觀中子吸收截面σ=200,000 b。

累積性核分裂產物毒物[编辑]

有許多核分裂產物都會吸收中子對反應器造成一定影響。個別來看,它們不會有特別的影響,但累積在一起時則有顯著的效應發生。這些物質被稱為「團塊核分裂產物」,在反應器中以每次分裂產生50靶恩的速率累積。核分裂產物毒物最終會使核燃料的使用效率下降,甚至導致核反應不穩定。在實務上,毒物累積會讓核燃料的可用活期縮短,造成連鎖反應減緩。這就是為什麼燃料再處理十分重要的原因,使用過的核燃料中仍包含約97%的可裂變材料,經過化學的方法分離出來後,與新燃料混和即可再投入反應器中使用,可以節省成本,但有核擴散的疑慮。

其他去除裂變產物方法,如:固態多孔燃料可以讓氣態的裂變產物散逸,或使用氣態、液態的燃料(熔融鹽反應器可溶水勻相反應器)。這些方法可減輕毒物累積,但會造成安全移除與廢料儲存問題。

其他具有高中子吸收截面的核分裂產物有:83Kr95Mo143Nd147Pm。在這些元素的原子量以上,就算是偶數質量數,其放射性同位素仍有較大的吸收截面,允許核種連續地吸收不同能量的中子。較重的錒系元素在核分裂反應後,會有較多的分裂產物落在鑭系元素的範圍,所以其總中子吸收截面較高。

快反應器中,分裂產物毒物的情形較不一樣,那是因為中子吸收截面在快中子熱中子之間並不相同。在鉛鉍共晶鉛冷式快反應爐中,吸收中子而裂變的分裂產物會較總分裂產物多出5%。如:在爐心中,133Cs101Ru103Rh99Tc105Pd107Pd;在增殖層中,149Sm取代107Pd。[7]

衰變毒物[编辑]

除了中子毒物,在反應器中其他的材料也會吸收中子造成衰變,例如:3H吸收中子衰變為3He。原本氚的半衰期長達12.3年,衰變時間長,對反應器較沒有顯著影響。然而,當反應器停機幾個月後,仍留在爐中的氚可能會吸收中子而衰變為氦-3,造成反應度的負面影響增強。任何在這段期間產生的氦-3,會被隨後的中子—質子變換中反應掉。

控制毒物[编辑]

在運轉中的反應器中,燃料會以單調函數遞減。假如反應器已運轉了很長一段時間,就必須更換燃料以達到臨界質量。而額外燃料所超出的正反應度,必須與中子吸收材料產生的負反應度相抵消。含有中子吸收材料的可移動控制棒是控制反應的一種方法,但並不是所有反應器爐心都適用,要視其形狀而定。

可燃毒物[註 1][编辑]

為了控制大量超出的燃料正反應度,在沒有控制棒的情況下,可燃毒物會被裝入爐心。可燃毒物是具有高中子吸收截面的物質,吸收中子後會衰變為低中子吸收截面的新物質。由於毒物的持續衰變,其負反應度影響會逐漸減弱。理想上,它的減弱速率會與燃料消耗速率一致。固定型可燃毒物通常會以的化合物形式出現,被作成針狀或盤狀,甚至是直接添加在燃料內部。因為他們可以分布的較控制棒均勻,所以對功率的影響較小。固定型可燃毒物也可能被離散在爐心中的特定位置,用以控制中子通量,避免某些區塊的通量或功率較大,但現多用固定型的不可燃毒物取代。[8]

不可燃毒物[编辑]

不可燃毒物是一種在爐心週期內持續維持負反應度的物質。當然,並沒有真正的不可燃毒物,但在某些條件下可視為不可燃,例如:。鉿其中一種同位素在吸收中子後衰變為另一種中子吸收劑,並持續5個衰變反應都是類似的情形。這種反應產生的長半衰期可燃毒物即可視為不可燃毒物。[9]

可溶毒物[编辑]

可溶毒物在溶於冷卻劑水後,會均勻分布在空間中。商用壓水式反應爐中最常見的可溶毒物是硼酸。硼酸會降低熱利用因子,使反應度下降。利用不同的硼酸濃度(析出或溶解),可以容易地調整反應度變化。假如濃度上升,冷卻劑或減速劑會吸收更多中子,產生負反應度。反之則中子吸收下降,反應度上升。但這種濃度變化緩慢,主要是作為輔助方式使用。這種方法可以減少控制棒的使用,使中子通量維持在恆定狀態。[8]所有美製的壓水式反應器都有使用這項系統,美國海軍的反應器與沸水式反應爐則不使用。

可溶毒物也被用於緊急停機安全系統中。在緊急停機時,操作員會直接注入含有可溶毒物的冷卻劑於爐心內部。像是四硼酸鈉硝酸釓(Gd(NO3)3·xH2O)。[8]

2011年3月16日,南韓宣稱應日本政府要求運送了53噸的硼酸前往日本,防止爐心熔毀發生[10]

注釋[编辑]

  1. ^ 可燃並非指在空氣下可以燃燒,而是在核反應中可被消耗掉的意思

參考資料[编辑]

  1. ^ Nuclear poison (or neutron poison). United States Nuclear Regulation Committee. [2011-08-04]. 
  2. ^ Kruglov , A. K. The history of the Soviet atomic industry, Taylor & Francis, 2002 ISBN 0-415-26970-9, p. 57
  3. ^ Lamarsh, John.R. Introduction to Nuclear Engineering,3rd ed , p.382. 
  4. ^ Lamarsh, John.R. Introduction to Nuclear Engineering,3rd ed , p.383. 
  5. ^ DOE Handbook, pp. 35–42.
  6. ^ DOE Handbook, pp. 43–47.
  7. ^ A. A. Dudnikov, A. A. Sedov. RBEC-M Lead-Bismuth Cooled Fast Reactor Benchmarking Calculations. International Atomic Energy Agency. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 DOE Handbook, p. 31.
  9. ^ DOE Handbook, p. 32.
  10. ^ 南韓應日本援助要求將向日提供硼酸以遏制爆炸. [2013-01-26]. 

參考書目[编辑]