Иодная яма

Ио́дная я́ма, или ксено́новая я́ма, — состояние ядерного реактора после его выключения либо снижения его мощности, характеризующееся накоплением короткоживущего изотопа ксенона ¹³⁵Xe (период полураспада 9,14 часа), имеющего высокое сечение захвата тепловых нейтронов и образующегося в результате радиоактивного распада изотопа иода ¹³⁵I (период полураспада 6,57 часа). Этот процесс приводит к вре́менному появлению значительной отрицательной реактивности, что, в свою очередь, делает невозможным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1-2 суток) после резкой разгрузки (снижения выходной мощности).

Иодная яма — одно из проявлений так называемого «отравления» ядерного реактора, которое является одной из главных сложностей, делающих проблематичной работу АЭС в режиме постоянно меняющейся выходной мощности. Работа реактора при ксеноновом отравлении стала одним из факторов, повлиявших на развитие Чернобыльской аварии. Для работы в маневровом режиме в комплексе с АЭС, чтобы избежать нежелательного изменения мощности реакторов, возможно строительство гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), как, например, на Южно-Украинском энергетическом комплексе.

В процессе деления ядер урана-235 (и других делящихся изотопов) во время работы ядерного реактора, среди прочих продуктов деления образуется радиоактивный изотоп иода ¹³⁵I. В результате β-распада с периодом полураспада 6,58 часа^[1] он превращается в изотоп ксенона ¹³⁵Xe. Этот изотоп тоже радиоактивен, но его период полураспада больше — 9,14 часа^[1]. ¹³⁵Xe очень хорошо поглощает тепловые нейтроны, его сечение захвата составляет около 3 млн барн. Поглощённые им нейтроны, очевидно, не могут участвовать в цепной реакции деления урана, поэтому присутствие ¹³⁵Xe снижает запас реактивности реактора. В реакторе, работающем на большой мощности, убыль ¹³⁵Xe определяется его радиоактивным распадом и «выгоранием» в результате захвата нейтронов.

или

После остановки реактора плотность потока нейтронов φ в активной зоне становится практически равной нулю. Изменение концентрации ¹³⁵Xe в активной зоне остановленного реактора определяется разницей в скоростях β-распада ¹³⁵I и ¹³⁵Xe. За 1 с в 1 м³ ядерного топлива возникает λ_IN_I и распадается λ_XeN_Xe ядер ¹³⁵Xe. Если активность ¹³⁵I больше активности ¹³⁵Xe (λ_IN_I > λ_XeN_Xe), то концентрация ¹³⁵Xe в активной зоне растёт, и наоборот.

Равновесная концентрация иода-135 N_0I в работающем реакторе пропорциональна величине φ, в то время как равновесная концентрация ксенона-135 N_0Xe мало зависит от неё при φ > 10¹⁷ нейтр./(м²·с). Вследствие этого, при плотности потока φ > 10¹⁷ нейтр./(м²·с) величина N_0I становится больше N_0Xe. Так как постоянная распада λ_I > λ_Xe, то в некотором интервале времени после остановки реактора λ_IN_I > λ_XeN_Xe. Поэтому концентрация ¹³⁵Xe в остановленном реакторе вначале растёт до тех пор, пока активности ¹³⁵I и ¹³⁵Xe не станут равными (то есть до выполнения условия векового равновесия). После этого распад ¹³⁵I уже не компенсирует убыль ¹³⁵Xe, и концентрация последнего начинает уменьшаться вместе с иодом.

На рисунке показано изменение концентрации N_Xe(t) и реактивности ρ остановленного реактора, если плотность потока φ в работающем реакторе до остановки была равна 10¹⁸ нейтр./(м²·с). Максимальное отравление, наступающее через 11 ч после остановки реактора, возрастает с увеличением плотности потока нейтронов φ.

Реактивность остановленного реактора сначала падает, достигая минимума при максимальной концентрации ксенона, а затем увеличивается. Кривая изменения реактивности имеет вид ямы, а увеличение отравления после остановки реактора связано с накоплением ¹³⁵I в работающем реакторе. Поэтому действие отравления на реактивность остановленного реактора называют иодной ямой. Она не наблюдается в реакторах с плотностью потока нейтронов φ < 10¹⁷ нейтр./(м²·с).

При проектировании реактора учитывают эффект иодной ямы. Высокие значения удельной мощности требуют дополнительного увеличения загрузки ядерного топлива для компенсации иодной ямы. Иначе выключенный реактор будет невозможно вывести на мощность (особенно в конце кампании) в течение нескольких десятков часов, пока не произойдёт почти полный распад ¹³⁵Xe в активной зоне.

• Петунин В. П.  Теплоэнергетика ядерных установок. — М.: Атомиздат, 1960.
• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. — 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.