Un veleno neutronico (chiamato anche " assorbitore di neutroni " o "veleno nucleare") è una sostanza con una grande sezione di assorbimento di neutroni e che quindi ha un impatto significativo sul bilancio neutronico di un reattore nucleare .
Nei reattori nucleari , l'assorbimento dei neutroni ha un effetto particolarmente avvelenante sul reattore . Questo avvelenamento è dovuto principalmente alla cattura di neutroni da parte di prodotti di fissione con una breve emivita, il principale dei quali è lo xeno 135, o da prodotti di fissione con un'emivita più lunga o stabile come il samario 149 e il gadolinio 157 .
Più specificamente, il termine " assorbitore di neutroni" denota anche elementi che assorbono solo neutroni, senza altra trasmutazione o radioattività indotta. Ciò esclude gli isotopi fissili e fertili , nonché quelli che si trasmutano in isotopi radioattivi . Questi materiali che assorbono i neutroni, chiamati anche veleni, vengono intenzionalmente introdotti in alcuni tipi di reattori per ridurre l'elevata reattività del combustibile fresco. Tali elementi possono essere tipicamente impiegati come costituenti nelle barre di controllo del reattore, o come veleno consumabile, per controllare la reattività. Possono anche essere usati come barriera di protezione dalle radiazioni .
Alcuni di questi veleni, noti come “veleni consumabili”, si esauriscono quando assorbono i neutroni durante il funzionamento del reattore, il che consente di compensare la variazione di reattività del reattore con la sua velocità di combustione . Altri rimangono relativamente costanti e servono a standardizzare il flusso di neutroni del reattore.
Gli atomi formati durante la fissione sono tutti in eccesso rispetto alla valle di stabilità, quindi catturano pochi neutroni. Tuttavia, alcuni dei prodotti di fissione generati durante le reazioni nucleari hanno una forte capacità di assorbimento dei neutroni, come lo xeno 135 (sezione trasversale σ = 2.650.000 b ( granai ) e il samario -149 (σ = 40.140 b) Poiché questi due prodotti di fissione velenosi privano il reattore di neutroni, avranno un impatto sulla reattività.
L'avvelenamento da parte di questi prodotti può diventare tale che la reazione a catena non può essere mantenuta pur rimanendo entro l'intervallo di funzionamento autorizzato del reattore. L'avvelenamento allo xeno è in particolare uno dei fattori che hanno portato all'incidente di Chernobyl .
Avvelenamento allo xenoLo xeno-135, in particolare, ha un enorme impatto sul funzionamento di un reattore nucleare. La dinamica dell'avvelenamento da xeno costituisce un'importante variazione nella reattività del nocciolo che è di grande importanza per la stabilità del flusso e la distribuzione geometrica della potenza, in particolare nei grandi reattori.
oDurante il periodo iniziale da 4 a 6 ore dopo il cambio di regime, l'entità e la velocità dei cambiamenti di concentrazione dipendono dal livello di potenza iniziale e dalla variazione del livello di potenza. Maggiore è la variazione del livello di potenza, maggiore è la variazione della concentrazione di xeno-135. Dopo alcune ore, la concentrazione di xeno raggiunge un minimo, quindi quando la quantità di iodio è aumentata sufficientemente, lo xeno aumenta a sua volta. Durante i periodi di funzionamento stazionario, a un livello costante di flusso di neutroni , la concentrazione di xeno-135 raggiunge il suo valore di equilibrio in circa 40-50 ore.
Quando il reattore si avvia, inizialmente non c'è xenon-135, che appare solo dopo poche ore. Con l'aumento della concentrazione di xeno, il reattore perde la sua reattività, il che può portarlo a spegnersi se non ha una riserva di reattività sufficiente.
Dopo un tempo di esecuzione, se la potenza del reattore viene aumentata, la produzione di xeno-135 rimane inizialmente costante, perché il 95% di xeno-135 proviene dal decadimento dello iodio 135 , che ha un'emivita di 6, 58 ore. D'altra parte, la concentrazione di xeno-135 diminuisce per prima, perché la sua velocità di degradazione aumenta con la potenza del reattore. Poiché lo xeno-135 è un veleno neutronico, il suo calo di concentrazione aumenta la reattività del cuore, e quindi la potenza: la deviazione tende ad essere instabile, e deve essere compensata dalle barre di controllo.
Quando la potenza del reattore viene ridotta, il processo viene invertito. Come prima, la diminuzione della potenza provoca un accumulo dello xeno neutrofago 135, che tende a diminuire ulteriormente la potenza. Questa perdita di reattività (che raggiunge un massimo dopo circa 10 ore dopo lo spegnimento del reattore) è definita "avvelenamento da xeno" e può causare l'impossibilità di riavviare un reattore o mantenerlo in funzione a bassa potenza. Questo è particolarmente vero quando il reattore è spento. Il periodo di tempo durante il quale il reattore non è in grado di superare gli effetti dello xeno 135 è chiamato ritardo allo xeno morto o avvelenamento .
Avvelenamento da samarioIl samario-149 è un prodotto di fissione relativamente grande che appare nella catena di decadimento del neodimio 149 e ha una grande sezione trasversale di cattura per neutroni lenti e quindi un effetto avvelenamento. Tuttavia, presenta un problema leggermente diverso da quello riscontrato con lo xeno 135 . Infatti, se le catene di decadimento del neodimio 149> promezio 149> samario 149 da un lato e il tellurio 135> iodio 135> xeno 135 dall'altra, sono sostanzialmente simili, si dovrebbero notare tre differenze:
Tuttavia, la quantità di promezio 149 all'equilibrio è maggiore di quella di iodio 135
La produzione di 149 Pm è proporzionale al flusso di neutroni ; la produzione di Sm-149 è proporzionale alla quantità di 149 micron presenti; il consumo di 149 Sm è anche proporzionale alla portata; la concentrazione di 149 Sm all'equilibrio è quindi indipendente dal flusso. Quando il reattore è in funzione, la concentrazione (e quindi l'effetto avvelenamento) raggiunge il suo valore di equilibrio in circa 500 ore (cioè circa tre settimane). Quando il reattore viene spento, tuttavia, il samario cessa di essere consumato e tutto il promezio-149 prodotto a monte (proporzionale al flusso) si trasforma in samario. Per un flusso iniziale di 3,2 × 10 13 n / cm 2 / s tipico di un reattore ad acqua pressurizzata, l'avvelenamento da samario dopo un funzionamento prolungato a potenza stabile è di circa 1300 pcm. L'anti-reattività aggiuntiva fornita dalla disintegrazione del promezio-149 dopo l'arresto è dell'ordine di 500 pcm; questa perdita è proporzionale al flusso e può avere valori maggiori nel caso di un reattore ad alto flusso.
Il reattore deve essere progettato per avere un margine di reattività sufficiente (rimozione delle barre di controllo o diluizione del veleno solubile) per poter essere riavviato senza problemi dopo uno spegnimento che può essere ancora necessario inaspettatamente. Il ritardo fornito dal decadimento del promezio 149 (più di 72 ore) può consentire un riavvio intermedio, tuttavia, il decadimento dello xeno 135 che si verifica nel frattempo dopo circa 24 ore fornisce in pratica un guadagno di reattività maggiore rispetto alla perdita dovuta al samario 149.
Avvelenamento da gadolinioUn altro isotopo problematico che si accumula è il gadolinio 157 , con una sezione trasversale microscopica di σ = 254.000 b. La sua produzione per fissione (resa prossima allo 0,004%) è però più di mille volte inferiore a quella dello iodio 135 (resa del 6,4% + 0,4%). Il valore della concentrazione all'equilibrio è pari a: è indipendente dal flusso ed è pari a 1,55 × 10 13 at / cm 3 in un core PWR 900MWe. La corrispondente sezione macroscopica è pari a 3,936 × 10 -6 cm -1 , valore molto basso rispetto alla sezione macroscopica ad assorbimento totale che è pari a 0,1402 cm -1 . L'avvelenamento espresso in pcm è molto basso.
Ci sono molti altri prodotti di fissione che, a causa della loro concentrazione e della sezione di assorbimento dei neutroni termici, hanno un effetto dannoso sul funzionamento dei reattori. Singolarmente hanno poca importanza, ma presi insieme hanno un impatto significativo. Sono spesso caratterizzati come prodotti di fissione velenosi. Si accumulano a una velocità media di 50 granai per disintegrazione nel reattore. L'accumulo di prodotti di fissione velenosi nel carburante porta alla perdita di efficienza e, in alcuni casi, all'instabilità. In pratica, l'accumulo di veleni nel combustibile nucleare del reattore è ciò che determina la durata del combustibile nucleare in un reattore: molto prima che tutte le possibili fissioni abbiano avuto luogo, l'accumulo di prodotti di fissione a lunga vita che assorbono i neutroni smorza la catena reazione. Questo è il motivo per cui il ritrattamento dei rifiuti nucleari è utile: il combustibile nucleare esaurito solido contiene circa il 97% del materiale fissile presente nel combustibile nucleare originale di nuova produzione. La separazione chimica dei prodotti di fissione ripristina la qualità del carburante in modo che possa essere riutilizzato.
Sono possibili altre soluzioni per rimuovere i prodotti di fissione, in particolare utilizzando combustibile solido poroso che consente la fuoriuscita dei prodotti di fissione o combustibile liquido o gassoso ( reattore a sali fusi , reattore acquoso omogeneo ). Ciò riduce il problema dell'accumulo di prodotti di fissione nel combustibile, ma pone ulteriori problemi di rimozione e stoccaggio sicuri dei prodotti di fissione.
Gli altri prodotti di fissione con sezioni di assorbimento relativamente elevate sono 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm. Al di sopra di questa massa, molti isotopi con numeri di massa pari hanno sezioni di assorbimento, consentendo a un nucleo di assorbire più neutroni in serie. La fissione di attinidi pesanti produce prodotti di fissione più pesanti nella gamma dei lantanidi, quindi la sezione trasversale di assorbimento totale dei neutroni dei prodotti di fissione è più alta.
In un reattore a neutroni veloci , la situazione dei prodotti di fissione del veleno può differire notevolmente perché le sezioni d'urto di assorbimento dei neutroni possono differire per neutroni termici e neutroni veloci . Nel reattore RBEC-M, un reattore a neutroni veloci raffreddato al piombo e al bismuto ). I prodotti di fissione classificati per cattura di neutroni (che rappresentano oltre il 5% dei prodotti di fissione totali), nell'ordine: 133 Cs, 101 Ru, 103 Rh, 99 Tc, 105 Pd e 107 Pd nel nucleo , con il 149Sm che sostituisce il 107 Pd al 6 ° posto nella coltre fertile.
Oltre ai prodotti di fissione velenosi, altri materiali decadono nei reattori in materiali che agiscono come veleni per neutroni. Un esempio di ciò è il decadimento del trizio in elio 3 . Poiché il trizio ha un'emivita di 12,3 anni, normalmente questo decadimento non dovrebbe influire in modo significativo sul funzionamento del reattore, poiché il tasso di decadimento del trizio è lento. Tuttavia, se il trizio viene prodotto in un reattore e poi rimane nel reattore per un arresto prolungato di diversi mesi, una quantità sufficiente di trizio può decomporsi in elio-3 e influenzare negativamente la sua reattività. Tutto l'elio-3 prodotto nel reattore durante un periodo di arresto verrà rimosso durante il successivo funzionamento da una reazione neutrone-protone.
Quando un reattore deve funzionare per un lungo periodo di tempo (ciclo di circa 18 mesi nei PWR francesi) , viene caricata nel reattore una quantità iniziale di combustibile, maggiore di quella necessaria per ottenere la massa critica esatta. Durante il funzionamento, questa quantità di carburante contenuta nel nocciolo diminuisce in modo monotono man mano che si consuma. Il feedback positivo dovuto all'eccesso di carburante all'inizio del ciclo deve quindi essere bilanciato con un feedback negativo aggiungendo un materiale che assorbe i neutroni.
L'uso di barre di controllo mobili contenenti materiali che assorbono i neutroni è un metodo, ma controllare la reattività in eccesso del reattore attraverso le sole barre di controllo può essere difficile per alcuni progetti particolari in quanto potrebbe non esserci spazio sufficiente per le barre o i loro meccanismi, ma soprattutto perché questo tipo di il controllo (da parte delle barre) provoca una deformazione del flusso del reattore che può generare punti caldi nel nocciolo. Ecco perché nei PWR si preferisce controllare questa reattività in eccesso, presente dopo il rifornimento, partendo da una concentrazione massima di boro solubile all'inizio del ciclo, riducendo poi tale concentrazione in funzione dell'esaurimento del carburante. ricarica successiva.
Per controllare la reattività dovuta alle grandi quantità di carburante in eccesso senza barre di controllo, i veleni consumabili vengono caricati nel nucleo. I veleni consumabili sono materiali che hanno una sezione trasversale di assorbimento di neutroni elevato e vengono trasformati in materiali con una sezione trasversale di assorbimento relativamente bassa dopo assorbimento di neutroni. A causa dell'esaurimento del veleno, la reattività negativa dovuta al veleno consumabile diminuisce durante la vita del cuore. Idealmente, la reattività negativa di questi veleni dovrebbe diminuire alla stessa velocità dell'eccesso di reattività del carburante quando si esaurisce. Inoltre, è desiderabile che il veleno consumabile si trasformi in un isotopo non assorbente dello stesso elemento chimico al fine di limitare il disturbo nel materiale. I veleni combustibili più comunemente usati sono composti di boro o gadolinio . Formano una rete di barre o piastre o vengono aggiunti come elementi aggiuntivi nel carburante. Poiché generalmente possono essere distribuiti in modo più uniforme rispetto alle barre di controllo, questi veleni interrompono meno la distribuzione dell'energia nel cuore. Il veleno combustibile può anche essere caricato localmente in aree specifiche del nucleo per modellare la forma o controllare la distribuzione del flusso di neutroni e quindi prevenire un flusso eccessivo e un picco di energia locale in alcune aree del reattore. Tuttavia, la pratica corrente è quella di utilizzare veleni non consumabili per questo scopo particolare.
Un veleno non combustibile è quello che mantiene un valore di reattività negativa costante per tutta la vita del cuore. Sebbene nessun veleno neutronico sia rigorosamente non combustibile, alcuni materiali possono essere considerati veleni non combustibili in determinate condizioni. Un esempio è l'afnio. La rimozione (mediante assorbimento di neutroni) di un isotopo di afnio porta alla produzione di un altro assorbitore di neutroni e continua su una catena di cinque assorbitori. Questa catena di assorbimento fa sì che il veleno, sebbene combustibile, si comporti come un veleno a lunga vita, che può essere considerato non combustibile. Questo tipo di veleno è particolarmente interessante per le barre di controllo di emergenza che devono mantenere un'efficacia costante per tutta la vita del cuore.
I veleni solubili producono un assorbimento uniforme dei neutroni nello spazio quando disciolti nel refrigerante di un reattore nucleare.
Il veleno solubile più comune nei reattori ad acqua pressurizzata (PWR) è l'acido borico , spesso indicato come boro solubile, o semplicemente Solbor . L'acido borico nel refrigerante assorbe i neutroni, provocando una diminuzione della reattività. Variando questa concentrazione di acido borico, un processo chiamato boricazione / diluizione, varia la reattività del cuore: quando la concentrazione di boro viene aumentata (per boricazione), vengono assorbiti più neutroni che diminuisce la reattività; viceversa, quando la concentrazione di boro viene ridotta (per diluizione), la reattività aumenta.
L'evoluzione della concentrazione di boro in un PWR è un processo lento e viene utilizzato principalmente da un lato per compensare l'esaurimento del carburante o l'accumulo di veleno, ma anche dall'altro per compensare l'avvelenamento da xeno durante le variazioni di carico.
Nelle PWR il contenuto di boro disciolto nell'acqua primaria dopo la ricarica così come i valori massimi per l'inserimento delle barre di controllo del reattore sono comunque limitati dall'aumento del coefficiente di temperatura del moderatore, che deve rimanere largamente negativo (margine di sicurezza ). L'espansione dell'acqua con la temperatura provoca l'espulsione dal cuore di una quantità di boro tanto maggiore in quanto il contenuto è alto può andare, se non fino a rendere positivo il coefficiente di temperatura di moderazione, ma almeno rischia di ridurre il margine di sicurezza per alcuni nuovi core.
I veleni solubili vengono utilizzati anche nei sistemi di arresto di emergenza tramite iniezione di sicurezza destinata a inondare il cuore in una situazione di incidente. Infatti, in tali situazioni, i sistemi di automazione, quindi gli operatori, possono iniettare soluzioni contenenti veleni neutronici direttamente nel refrigerante del reattore. Vengono utilizzate varie soluzioni, tra cui poliborato di sodio e nitrato di gadolinio (Gd (NO3) 3 · xH2O).
I valori sotto riportati per le sezioni d'urto di assorbimento neutronico (in barns) si riferiscono a neutroni di un'energia molto specifica, a seconda dell'applicazione considerata.