中子毒物
中子毒物（英语：Neutron poison）是一种具有大中子吸收截面的物质，由于会对连锁反应造成负面影响，而被称为“毒物”，常应用于反应堆物理计算中。[1]在反应堆中，我们尽可能希望中子由可裂变物质吸收，使之发生核分裂。然而，一些物质具有强烈的中子捕获现象，会导致降低反应器运转的反应性。有些毒物会在反应器运转过程中吸收中子而消耗掉，但有些则保持不变。
中子被短半衰期的核分裂产物吸收称为“反应堆中毒”；中子被长半衰期或稳定的核分裂产物吸收称为“反应器结渣”。[2]
暂时性核分裂产物毒物
[编辑]一些在核分裂产生的分裂产物具有高中子吸收能力，如：135Xe（微观中子吸收截面σ=2,000,000 b）与149Sm（微观中子吸收截面σ=74,500 b）。因为这两个物质在反应器内大量吸收中子，进而影响热利用率与核反应度。尤其在反应器炉心的影响更为明显，严重的话会使连锁反应缺乏足够中子而停止。
其中，135Xe在反应器中具有最显著的影响。当反应器要再重新启动时，由于分裂产物的衰变，使135Xe的累积增加（约在反应器关闭后10小时后达到最大值），会使反应器在一段时间内无法立即重启，这段期间被称作“死机时间（英语：reactor deadtime）”。[3]在稳定运转期间，以恒定的中子通量来看，135Xe浓度达到长期平衡所需时间约40到50小时。当反应器功率增加时，因为燃烧度随著功率增加而上升，使得中子产生数目增加，135Xe浓度下降。[4]因此，135Xe的浓度变化代表的是一种反应度的正向反馈，由其是在大型反应器中更显重要。
因为95%的135Xe是来自于135I（半衰期约6到7小时）的衰变产物，所以135Xe的浓度会保持恒定，此时135Xe的浓度会维持在最低值。当反应器功率增加到较高功率时，135Xe浓度也会移动到新的平衡。反应器功率下降时则相反。[5]
因为149Sm并不具有放射性，所以不会被衰变消耗掉，它会产生与135Xe不大相同的问题。149Sm浓度会在反应器运转超过500小时（约3个礼拜）后达到平衡，之后在运转期间便不再变化，保持恒定。[6]另一个中子毒物157Gd的微观中子吸收截面σ=200,000 b。
累积性核分裂产物毒物
[编辑]有许多核分裂产物都会吸收中子对反应器造成一定影响。个别来看，它们不会有特别的影响，但累积在一起时则有显著的效应发生。这些物质被称为“团块核分裂产物”，在反应器中以每次分裂产生50靶恩的速率累积。核分裂产物毒物最终会使核燃料的使用效率下降，甚至导致核反应不稳定。在实务上，毒物累积会让核燃料的可用活期缩短，造成连锁反应减缓。这就是为什么燃料再处理十分重要的原因，使用过的核燃料中仍包含约97%的可裂变材料，经过化学的方法分离出来后，与新燃料混和即可再投入反应器中使用，可以节省成本，但有核扩散的疑虑。
其他去除裂变产物方法，如：固态多孔燃料可以让气态的裂变产物散逸，或使用气态、液态的燃料（熔融盐反应器、可溶水匀相反应器）。这些方法可减轻毒物累积，但会造成安全移除与废料储存问题。
其他具有高中子吸收截面的核分裂产物有：83Kr、95Mo、143Nd、147Pm。在这些元素的原子量以上，就算是偶数质量数，其放射性同位素仍有较大的吸收截面，允许核种连续地吸收不同能量的中子。较重的锕系元素在核分裂反应后，会有较多的分裂产物落在镧系元素的范围，所以其总中子吸收截面较高。
在快反应器中，分裂产物毒物的情形较不一样，那是因为中子吸收截面在快中子与热中子之间并不相同。在铅铋共晶的铅冷式快反应炉中，吸收中子而裂变的分裂产物会较总分裂产物多出5%。如：在炉心中，133Cs、101Ru、103Rh、99Tc、105Pd和107Pd；在增殖层中，149Sm取代107Pd。[7]
衰变毒物
[编辑]除了中子毒物，在反应器中其他的材料也会吸收中子造成衰变，例如：3H吸收中子衰变为3He。原本氚的半衰期长达12.3年，衰变时间长，对反应器较没有显著影响。然而，当反应器停机几个月后，仍留在炉中的氚可能会吸收中子而衰变为氦-3，造成反应度的负面影响增强。任何在这段期间产生的氦-3，会被随后的中子—质子变换中反应掉。
控制毒物
[编辑]在运转中的反应器中，燃料会以单调函数递减。假如反应器已运转了很长一段时间，就必须更换燃料以达到临界质量。而额外燃料所超出的正反应度，必须与中子吸收材料产生的负反应度相抵消。含有中子吸收材料的可移动控制棒是控制反应的一种方法，但并不是所有反应器炉心都适用，要视其形状而定。
可燃毒物
[编辑]可燃并非指在空气下可以燃烧，而是在核反应中可被消耗掉的意思。为了控制大量超出的燃料正反应度，在没有控制棒的情况下，可燃毒物会被装入炉心。可燃毒物是具有高中子吸收截面的物质，吸收中子后会衰变为低中子吸收截面的新物质。由于毒物的持续衰变，其负反应度影响会逐渐减弱。理想上，它的减弱速率会与燃料消耗速率一致。固定型可燃毒物通常会以硼或钆的化合物形式出现，被作成针状或盘状，甚至是直接添加在燃料内部。因为他们可以分布的较控制棒均匀，所以对功率的影响较小。固定型可燃毒物也可能被离散在炉心中的特定位置，用以控制中子通量，避免某些区块的通量或功率较大，但现多用固定型的不可燃毒物取代。[8]
不可燃毒物
[编辑]不可燃毒物是一种在炉心周期内持续维持负反应度的物质。当然，并没有真正的不可燃毒物，但在某些条件下可视为不可燃，例如：铪。铪其中一种同位素在吸收中子后衰变为另一种中子吸收剂，并持续5个衰变反应都是类似的情形。这种反应产生的长半衰期可燃毒物即可视为不可燃毒物。[9]
可溶毒物
[编辑]可溶毒物在溶于冷却剂水后，会均匀分布在空间中。商用压水式反应炉中最常见的可溶毒物是硼酸。硼酸会降低热利用因子，使反应度下降。利用不同的硼酸浓度（析出或溶解），可以容易地调整反应度变化。假如浓度上升，冷却剂或减速剂会吸收更多中子，产生负反应度。反之则中子吸收下降，反应度上升。但这种浓度变化缓慢，主要是作为辅助方式使用。这种方法可以减少控制棒的使用，使中子通量维持在恒定状态。[8]所有美制的压水式反应器都有使用这项系统，美国海军的反应器与沸水式反应炉则不使用。
可溶毒物也被用于紧急停机安全系统中。在紧急停机时，操作员会直接注入含有可溶毒物的冷却剂于炉心内部。像是四硼酸钠和硝酸钆（Gd(NO3)3·xH2O）。[8]
2011年3月16日，南韩宣称应日本政府要求运送了53吨的硼酸前往日本，防止炉心熔毁发生。[10]
注释
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ Nuclear poison (or neutron poison). United States Nuclear Regulation Committee. [2011-08-04]. （原始内容存档于2020-10-25）.
- ^ Kruglov , A. K. The history of the Soviet atomic industry （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Taylor & Francis, 2002 ISBN 0-415-26970-9, p. 57
- ^ Lamarsh, John.R. Introduction to Nuclear Engineering,3rd ed , p.382.
- ^ Lamarsh, John.R. Introduction to Nuclear Engineering,3rd ed , p.383.
- ^ DOE Handbook, pp. 35–42.
- ^ DOE Handbook, pp. 43–47.
- ^ A. A. Dudnikov, A. A. Sedov. RBEC-M Lead-Bismuth Cooled Fast Reactor Benchmarking Calculations (PDF). International Atomic Energy Agency.[永久失效链接]
- ^ 8.0 8.1 8.2 DOE Handbook, p. 31.
- ^ DOE Handbook, p. 32.
- ^ 南韓應日本援助要求將向日提供硼酸以遏制爆炸. [2013-01-26].[永久失效链接]
参考书目
[编辑]- DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory (PDF). U.S. Department of Energy. January 1993 [2012-09-23]. （原始内容 (PDF)存档于2012-11-09）.
- Introduction to Nuclear Engineering,3rd ed.
