Un veneno de neutrones (también llamado “ absorbente de neutrones ” o “veneno nuclear”) es una sustancia con una gran sección de absorción de neutrones y que, por lo tanto, tiene un impacto significativo en el balance de neutrones de un reactor nuclear .
En los reactores nucleares , la absorción de neutrones tiene un efecto de envenenamiento particularmente en el reactor . Este envenenamiento se debe principalmente a la captura de neutrones por productos de fisión con una vida media corta, siendo el principal el xenón 135, o por productos de fisión con una vida media más larga o estable como el samario 149 y el gadolinio 157 .
Más específicamente, el término " absorbente de neutrones" también denota elementos que solo absorben neutrones, sin otra transmutación o radiactividad inducida. Esto excluye los isótopos fisibles y fértiles , así como los que se transmutan en isótopos radiactivos . Estos materiales absorbentes de neutrones, también llamados venenos, se introducen intencionalmente en ciertos tipos de reactores para reducir la alta reactividad del combustible nuevo. Estos elementos pueden emplearse típicamente como constituyentes en barras de control de reactores, o como veneno consumible, para controlar la reactividad. También se pueden utilizar como barrera de protección radiológica .
Algunos de estos venenos, conocidos como “venenos consumibles”, se agotan cuando absorben los neutrones durante el funcionamiento del reactor, lo que permite compensar la variación de reactividad del reactor con su velocidad de combustión . Otros permanecen relativamente constantes y sirven para estandarizar el flujo de neutrones del reactor.
Los átomos formados durante la fisión tienen un exceso de neutrones en comparación con el valle de estabilidad, por lo que capturan pocos neutrones. Sin embargo, algunos de los productos de fisión generados durante las reacciones nucleares tienen una fuerte capacidad de absorción de neutrones, como el xenón 135 (sección transversal σ = 2,650,000 b ( graneros ) y el samario -149 (σ = 40,140 b) Porque estos dos productos de fisión venenosos privan al reactor de neutrones, tendrán un impacto en la reactividad.
El envenenamiento por estos productos puede llegar a ser tal que la reacción en cadena no pueda mantenerse mientras permanece dentro del rango operativo autorizado del reactor. El envenenamiento por xenón es, en particular, uno de los factores que llevaron al accidente de Chernobyl .
Envenenamiento por xenónEl xenón-135, en particular, tiene un gran impacto en el funcionamiento de un reactor nuclear. La dinámica del envenenamiento por xenón constituye una variación importante en la reactividad del núcleo que es de gran importancia para la estabilidad del flujo y la distribución geométrica de la potencia, en particular en grandes reactores.
oDurante el período inicial de 4 a 6 horas después del cambio de régimen, la magnitud y la velocidad de los cambios de concentración dependen del nivel de potencia inicial y del cambio en el nivel de potencia. Cuanto mayor sea el cambio en el nivel de potencia, mayor será la variación en la concentración de xenón-135. Después de unas horas, la concentración de xenón alcanza un mínimo, luego, cuando la cantidad de yodo ha aumentado lo suficiente, el xenón aumenta a su vez. Durante los períodos de funcionamiento en estado estable, a un nivel constante de flujo de neutrones , la concentración de xenón-135 alcanza su valor de equilibrio en aproximadamente 40 a 50 horas.
Cuando el reactor se pone en marcha, inicialmente no hay xenón-135, que solo aparece después de unas pocas horas. Con el aumento de la concentración de xenón, el reactor pierde su reactividad, lo que puede llevarlo a pararse si no tiene suficiente reserva de reactividad.
Después de un tiempo de ejecución, si se aumenta la potencia del reactor, la producción de xenón-135 inicialmente permanece constante, porque el 95% del xenón-135 proviene de la desintegración del yodo 135 , que tiene una vida media de 6, 58 horas. . Por otro lado, la concentración de xenón-135 disminuye primero, porque su tasa de degradación aumenta con la potencia del reactor. Como el xenón-135 es un veneno de neutrones, su caída de concentración aumenta la reactividad del corazón y, por lo tanto, la potencia: la desviación tiende a ser inestable y debe ser compensada por las barras de control.
Cuando se reduce la potencia del reactor, el proceso se invierte. Como antes, la disminución de la potencia provoca una acumulación del xenón 135 neutrófago, que tiende a disminuir la potencia aún más. Esta pérdida de reactividad (que alcanza un máximo después de aproximadamente 10 horas después de la parada del reactor) se denomina "envenenamiento por xenón" y puede provocar la imposibilidad de que un reactor se reinicie o se mantenga funcionando a baja potencia. Este es particularmente el caso cuando se apaga el reactor. El período de tiempo durante el cual el reactor es incapaz de superar los efectos del xenón 135 se denomina retraso de xenón muerto o de fallo del veneno .
Envenenamiento por samarioEl samario-149 es un producto de fisión relativamente grande que aparece en la cadena de desintegración del neodimio 149 y tiene una gran sección transversal de captura de neutrones lentos y, por lo tanto, un efecto de envenenamiento. Sin embargo, presenta un problema que es un poco diferente al que se encuentra con el xenón 135 . De hecho, si las cadenas de desintegración de neodimio 149> prometio 149> samario 149 por un lado, y telurio 135> yodo 135> xenón 135 por otro lado, son muy similares, deben notarse tres diferencias:
Sin embargo, la cantidad de prometio 149 en equilibrio es mayor que la de yodo 135
La producción de 149 µm es proporcional al flujo de neutrones ; la producción de Sm-149 es proporcional a la cantidad de 149 µm presentes; el consumo de 149 Sm también es proporcional al caudal; por tanto, la concentración de 149 Sm en equilibrio es independiente del flujo. Cuando el reactor está en funcionamiento, la concentración (y por tanto el efecto de envenenamiento) alcanza su valor de equilibrio en aproximadamente 500 horas (es decir, aproximadamente tres semanas). Sin embargo, cuando el reactor se apaga, el samario deja de consumirse y todo el prometio-149 producido corriente arriba (proporcional al flujo) se convierte en samario. Para un flujo inicial de 3,2 x 10 13 n / cm 2 / s típico de un reactor de agua a presión, el envenenamiento por samario después de un funcionamiento prolongado a potencia estable es de aproximadamente 1300 pcm. La antirreactividad adicional proporcionada por la desintegración del prometio-149 después de la parada es del orden de 500 pcm; esta pérdida es proporcional al flujo y puede tener valores más altos en el caso de un reactor de alto flujo.
El reactor debe estar diseñado para tener un margen de reactividad suficiente (remoción de las barras de control o dilución del veneno soluble) para poder ser reiniciado sin problemas después de una parada que aún puede ser necesaria inesperadamente. El retraso proporcionado por la desintegración del prometio 149 (más de 72 horas) puede permitir un reinicio intermedio, sin embargo, la desintegración del xenón 135 que se produce mientras tanto después de aproximadamente 24 horas proporciona en la práctica una mayor ganancia de reactividad que la pérdida debida al samario. 149.
Intoxicación con gadolinioOtro isótopo problemático que se acumula es el gadolinio 157 , con una sección microscópica de σ = 254.000 b. Sin embargo, su producción por fisión (rendimiento cercano al 0,004%) es más de mil veces menor que la del yodo 135 (rendimiento del 6,4% + 0,4%). El valor de la concentración en equilibrio es igual a: es independiente del flujo y es igual a 1,55 × 10 13 at / cm 3 en un núcleo PWR 900MWe. La sección transversal macroscópica correspondiente es igual a 3.936 x 10 -6 cm -1 , un valor muy bajo en comparación con la sección transversal macroscópica de absorción total que es igual a 0.1402 cm -1 . La intoxicación expresada en pcm es muy baja.
Hay muchos otros productos de fisión que, debido a su concentración y sección de absorción de neutrones térmicos, tienen un efecto perjudicial sobre el funcionamiento de los reactores. Individualmente tienen poca importancia, pero en conjunto tienen un impacto significativo. A menudo se caracterizan como productos de fisión venenosos. Se acumulan a una tasa promedio de 50 graneros por desintegración en el reactor. La acumulación de productos de fisión venenosos en el combustible conduce a una pérdida de eficiencia y, en algunos casos, a inestabilidad. En la práctica, la acumulación de venenos en el combustible nuclear del reactor es lo que determina la vida útil del combustible nuclear en un reactor: mucho antes de que hayan tenido lugar todas las posibles fisiones, la acumulación de productos de fisión de larga duración absorbe la vida. los neutrones amortiguan la reacción en cadena. Ésta es la razón por la que el reprocesamiento de desechos nucleares es útil: el combustible nuclear gastado sólido contiene aproximadamente el 97% del material fisionable presente en el combustible nuclear original recién fabricado. La separación química de los productos de fisión restaura la calidad del combustible para que pueda volver a utilizarse.
Son posibles otros enfoques para eliminar los productos de fisión, en particular utilizando combustible sólido poroso que permite que los productos de fisión se derramen o combustible líquido o gaseoso ( reactor de sal fundida , reactor acuoso homogéneo ). Esto reduce el problema de la acumulación de productos de fisión en el combustible, pero plantea problemas adicionales de eliminación y almacenamiento seguros de los productos de fisión.
Los otros productos de fisión con secciones de absorción relativamente alta son 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm. Por encima de esta masa, muchos isótopos con números de masa pares tienen secciones de absorción, lo que permite que un núcleo absorba múltiples neutrones en serie. La fisión de actínidos pesados produce productos de fisión más pesados en el rango de los lantánidos, por lo que la sección transversal de absorción total de neutrones de los productos de fisión es mayor.
En un reactor de neutrones rápidos , la situación de los productos de fisión venenosos puede diferir considerablemente porque las secciones transversales de absorción de neutrones pueden diferir para los neutrones térmicos y los neutrones rápidos . En el reactor RBEC-M, un reactor de neutrones rápidos enfriado con plomo-bismuto ). Los productos de fisión clasificados por captura de neutrones (que representan más del 5% del total de productos de fisión), en orden: 133 Cs, 101 Ru, 103 Rh, 99 Tc, 105 Pd y 107 Pd en el núcleo , reemplazando el 149Sm el 107 Pd en el 6 º lugar en la manta fértil.
Además de los productos de fisión venenosos, otros materiales se descomponen en los reactores en materiales que actúan como neutrones venenosos. Un ejemplo de esto es la desintegración del tritio en helio 3 . Como el tritio tiene una vida media de 12,3 años, normalmente esta desintegración no debería afectar significativamente el funcionamiento del reactor, ya que la tasa de desintegración del tritio es lenta. Sin embargo, si se produce tritio en un reactor y luego permanece en el reactor durante una parada prolongada de varios meses, una cantidad suficiente de tritio puede descomponerse en helio-3 y afectar negativamente su reactividad. Todo el helio-3 producido en el reactor durante un período de parada se eliminará durante el funcionamiento posterior mediante una reacción neutrón-protón.
Cuando un reactor tiene que funcionar durante un largo período de tiempo (ciclo de alrededor de 18 meses en los PWR franceses) , se carga en el reactor una cantidad inicial de combustible, mayor que la necesaria para obtener la masa crítica exacta. Durante el funcionamiento, esta cantidad de combustible contenida en el núcleo disminuye monótonamente a medida que se consume. Por lo tanto, la retroalimentación positiva debida al exceso de combustible al inicio del ciclo debe equilibrarse con la retroalimentación negativa agregando un material absorbente de neutrones.
El uso de barras de control móviles que contienen material absorbente de neutrones es un método, pero controlar el exceso de reactividad del reactor solo a través de las barras de control puede ser difícil para algunos diseños en particular, ya que puede que no haya suficiente espacio para las barras o sus mecanismos, pero sobre todo porque este tipo de El control (por las barras) provoca una deformación del flujo del reactor que puede generar puntos calientes en el núcleo. Es por esto que en los PWR se prefiere controlar este exceso de reactividad, presente después del repostaje, partiendo de una concentración máxima de boro soluble al inicio del ciclo, luego reduciendo esta concentración en función del agotamiento del combustible. próxima recarga.
Para controlar la reactividad debido a las grandes cantidades de combustible en exceso sin barras de control, se cargan venenos consumibles en el núcleo. Los venenos consumibles son materiales que tienen una sección transversal de absorción de neutrones alta y se transforman en materiales con una sección transversal de absorción relativamente baja tras la absorción de neutrones. Debido al agotamiento del veneno, la reactividad negativa debida al veneno consumible disminuye durante la vida del corazón. Idealmente, la reactividad negativa de estos venenos debería disminuir al mismo ritmo que el exceso de reactividad del combustible a medida que se agota. Además, es deseable que el veneno consumible se transforme en un isótopo no absorbente del mismo elemento químico para limitar las alteraciones en el material. Los venenos combustibles más utilizados son los compuestos de boro o gadolinio . Forman una red de barras o placas, o se agregan como elementos adicionales en el combustible. Dado que generalmente se pueden distribuir de manera más uniforme que las barras de control, estos venenos interrumpen menos la distribución de energía en el corazón. El veneno combustible también se puede cargar localmente en áreas específicas del núcleo para dar forma a la forma o controlar la distribución del flujo de neutrones y así prevenir el flujo excesivo y el pico de energía local en ciertas áreas del reactor. Sin embargo, la práctica actual es utilizar venenos no consumibles para este propósito en particular.
Un veneno no combustible es aquel que mantiene un valor de reactividad negativa constante durante la vida del corazón. Aunque ningún veneno de neutrones es estrictamente incombustible, algunos materiales pueden considerarse venenos no combustibles en determinadas condiciones. Un ejemplo es el hafnio. La eliminación (por absorción de neutrones) de un isótopo de hafnio conduce a la producción de otro absorbente de neutrones y continúa en una cadena de cinco absorbentes. Esta cadena de absorción hace que el veneno, aunque combustible, se comporte como un veneno de larga duración, que puede considerarse incombustible. Este tipo de veneno es especialmente interesante para las barras de control de emergencia que deben mantener una efectividad constante durante la vida del corazón.
Los venenos solubles producen una absorción uniforme de neutrones en el espacio cuando se disuelven en el refrigerante de un reactor nuclear.
El veneno soluble más común en los reactores de agua a presión (PWR) es el ácido bórico , que a menudo se denomina boro soluble, o simplemente Solbor . El ácido bórico en el refrigerante absorbe neutrones, lo que hace que disminuya la reactividad. Al variar esta concentración de ácido bórico, un proceso llamado boricación / dilución, la reactividad del corazón varía: cuando la concentración de boro aumenta (por boricación), se absorben más neutrones, lo que disminuye la reactividad; a la inversa, cuando se reduce la concentración de boro (por dilución), aumenta la reactividad.
La evolución de la concentración de boro en un PWR es un proceso lento y se utiliza principalmente por un lado para compensar el agotamiento del combustible o la acumulación de veneno, pero también por otro lado, para compensar el envenenamiento por xenón. variaciones.
Dans les REP , la teneur en bore dissous dans l'eau primaire après un rechargement ainsi que les valeurs maximales d'insertion des barres de contrôle du réacteur, sont toutefois limitées par l'augmentation du coefficient de température du modérateur qui doit rester largement négatif (margen de seguridad). La expansión del agua con la temperatura provoca una expulsión del núcleo de una cantidad de boro tanto mayor cuanto mayor es el contenido puede ir, si no hasta hacer positivo el coeficiente de temperatura moderadora, pero al menos riesgo de reducir el margen de seguridad para algunos núcleos nuevos.
Los venenos solubles también se utilizan en sistemas de parada de emergencia mediante inyección de seguridad destinada a inundar el corazón en una situación de accidente. De hecho, en tales situaciones, los sistemas de automatización, luego los operadores, pueden inyectar soluciones que contienen venenos neutrónicos directamente en el refrigerante del reactor. Se utilizan varias soluciones, que incluyen poliborato de sodio y nitrato de gadolinio (Gd (NO3) 3 · xH2O).
Los valores dados a continuación de secciones transversales de absorción de neutrones (en graneros) se refieren a neutrones de una energía muy particular, según la aplicación considerada.