Ксеноновые колебания.

В больших реакторах на тепловых нейтронах, в которых имеет место пространственно-временная неоднородность нейтронного поля, возможно появление так называемых ксеноновых колебаний. Механизм возникновения ксеноновых колебаний следующий:

1. При локальном увеличении потока нейтронов (например, вследствие подъема органов регулирования) в некоторой области реактора увеличивается скорость реакций деления, и как следствие накопление ¹³⁵I и выгорание ¹³⁵Xe.

2. Выгорание ¹³⁵Xe в свою очередь ведет к увеличению реактивности (т.е. в реакторе имеет положительная обратная связь по ксеноновой реактивности), дальнейшему повышению потока нейтронов и дальнейшему накоплению ¹³⁵I.

3. Параллельно с накоплением ¹³⁵I с некоторым сдвигом во времени происходит его распад с образованием ¹³⁵Xe. И, таким образом, в рассматриваемой области активной зоны накапливается ¹³⁵Xe, постепенно внося отрицательную реактивность и уменьшая нейтронный поток до уровня ниже, чем в соседних областях.

4. После распада значительного количества ¹³⁵Xe потоки нейтронов начинают снова расти, и повторяется вышеописанная последовательность процессов. Концентрация ¹³⁵Xe и поток нейтронов затухая колеблются во времени относительно среднего значения с периодом около 15 часов.

Изменяя несущественно полную мощность реактора эти колебания могут вызывать локальное изменение энерговыделения при потоке Ф ~ 10¹⁴ н/см² с в 3 раза и более. (При Ф = 10¹³ н/см² с ксеноновые колебания незначительны). В реакторах с большим отрицательным температурным коэффициентом реактивности ксеноновые колебания подавляются достаточно эффективно. Это является одной из причин, по которой реакторы конструируются с отрицательным коэффициентом реактивности по температуре замедлителя.

При возникновении избыточной реактивности в области интенсивного выгорания ¹³⁵Xe, вводя отрицательную реактивность, с помощью системы регулирования, поток нейтронов будет снижен в целом по всей активной зоне. Как следствие – концентрация ксенона по всей активной зоне будет увеличиваться, в то время, как в рассматриваемом локальном месте она будет еще падать. Но по мере накопления йода, с некоторого момента концентрация ксенона начнет возрастать, а в примыкающих областях падает. Таким образом, возникает перемещение областей с переменной концентрацией ксенона. Такие пространственные колебания концентрации ксенона носят название ксеноновых волн.

Самарий–149 (¹⁴⁹Sm) второй после ¹³⁵Xe продукт деления с высоким сечением поглощения тепловых нейтронов (σ_а^Sm~ 4,1∙10⁴ барн). Самарий–149 накапливается в результате радиоактивного распада неодима–149 (¹⁴⁹Nd), фрагмента деления урана, согласно цепочке:

Система уравнений, описывающая баланс ядер самария, имеет вид:

Приравняв правые части к 0, получим выражение для стационарной концентрации самария:

Видно,что стационарная концентрация самария не зависит от потока (т.е от мощности).