حفرة اليود

حفرة اليود ، أو حفرة الزينون ، هي حالة تعطل مؤقتة للمفاعل النووي نتيجة تراكم مواد سامة للنيوترونات قصيرة العمر في قلب المفاعل . النظير الرئيسي المسؤول عن ذلك هو الزينون ^-135 ، والذي ينتج بشكل أساسي عن تحلل بيتا لليود -135 ^. يُعد اليود ^-135 ممتصًا ضعيفًا للنيوترونات ، بينما يُعد الزينون ^-135 أقوى ممتص معروف للنيوترونات. عندما يتراكم الزينون ^{-135 في} قضبان الوقود في المفاعل، فإنه يُقلل بشكل كبير من تفاعليتها ، وذلك بامتصاصه كمية كبيرة من النيوترونات اللازمة للتفاعل النووي .

إن وجود اليود ^{-135 والزينون -135} في المفاعل هو أحد الأسباب الرئيسية لتقلبات الطاقة فيه استجابة لتغيرات في مواضع قضبان التحكم .

يُطلق على تراكم نواتج الانشطار قصيرة العمر التي تعمل كسموم نووية اسم تسمم المفاعل ، أو تسمم الزينون . أما تراكم السموم النيوترونية المستقرة أو طويلة العمر فيُطلق عليه اسم مخلفات المفاعل .

أحد نواتج الانشطار الشائعة هو التيلوريوم ^-135 ، الذي يخضع لتحلل بيتا بنصف عمر يبلغ 19 ثانية ليتحول إلى اليود ^-135 . اليود ^-135 نفسه يمتص النيوترونات بشكل ضعيف. يتراكم في المفاعل بمعدل يتناسب مع معدل الانشطار، والذي يتناسب بدوره مع القدرة الحرارية للمفاعل. يخضع ^{اليود-135} لتحلل بيتا بنصف عمر يبلغ 6.57 ساعة ليتحول إلى الزينون ^-135 . تبلغ نسبة إنتاج الزينون ^-135 من انشطار اليورانيوم 6.3%؛ وينشأ حوالي 95% من الزينون ^-135 من تحلل اليود ^-135 .

^{يُعدّ الزينون -135} أقوى مُمتصّ للنيوترونات معروف ، إذ يبلغ مقطعه العرضي للنيوترونات الحرارية 2.6 × 10⁶ ^بارن ، [ ^{1 ] لذا} فهو يعمل كـ" سمّ " يُمكنه إبطاء أو إيقاف التفاعل المتسلسل بعد فترة من التشغيل. وقد اكتُشف ذلك في أوائل المفاعلات النووية التي بناها مشروع مانهاتن لإنتاج البلوتونيوم . ونتيجةً لذلك، وضع المصممون في تصميم المفاعل تدابير لزيادة تفاعليته (عدد النيوترونات لكل انشطار والتي تُؤدي إلى انشطار ذرات أخرى من الوقود النووي ). ^{[ 2 ] وقد لعب تسمم مفاعل الزينون -135} دورًا رئيسيًا في كارثة تشيرنوبيل . ^{[ 3 ]} 

عن طريق التقاط النيوترونات ، يتحول ^{135 Xe ("يحترق") إلى 136} Xe ، وهو مستقر بشكل فعال ^{ولا يمتص} النيوترونات بشكل كبير ^.

يتناسب معدل الاحتراق طرديًا مع تدفق النيوترونات ، والذي يتناسب بدوره طرديًا مع قدرة المفاعل؛ فالمفاعل الذي يعمل بقدرة مضاعفة يكون معدل احتراق الزينون فيه مضاعفًا. كما يتناسب معدل الإنتاج طرديًا مع قدرة المفاعل، ولكن نظرًا لعمر النصف لليود ^-135 ، فإن هذا المعدل يعتمد على متوسط ​​القدرة خلال الساعات القليلة الماضية.

نتيجةً لذلك، يتمتع المفاعل العامل بقدرة ثابتة بتركيز توازن مستقر، ولكن عند خفض قدرة المفاعل، قد يرتفع تركيز الزينون ^-135 بدرجة كافية لإيقاف تشغيل المفاعل فعليًا. وبدون وجود عدد كافٍ من النيوترونات لتعويض امتصاصها بواسطة الزينون ^-135 ، أو لحرق الزينون المتراكم، يجب إبقاء المفاعل في حالة إيقاف التشغيل لمدة يوم إلى يومين حتى يتحلل جزء كافٍ من الزينون ^-135 .

^{يتحلل الزينون -135} (135Xe) بنصف عمر يبلغ 9.2 ساعة إلى السيزيوم ^-135 (135Cs) ؛ ويتعافى قلب المفاعل الملوث تلقائيًا بعد عدة أنصاف أعمار. بعد حوالي 3 أيام من إيقاف التشغيل، يمكن افتراض خلو قلب المفاعل من الزينون ^-135 ، دون أن يُدخل ذلك أخطاءً في حسابات التفاعلية. ^{[ 4 ]}

يُطلق على عدم إمكانية إعادة تشغيل المفاعل في هذه الحالة اسم " بدء التشغيل المحظور بسبب الزينون" أو "السقوط في حفرة اليود" ؛ وتُعرف مدة هذه الحالة باسم " وقت توقف الزينون" أو "انقطاع السم" أو " عمق حفرة اليود" . ونظرًا لمخاطر هذه الحالات، في بدايات الصناعة النووية السوفيتية، أُجريت العديد من عمليات الصيانة على المفاعلات العاملة، حيث أن فترات التوقف التي تزيد عن ساعة تؤدي إلى تراكم الزينون، مما قد يُبقي المفاعل خارج الخدمة لفترة طويلة، ويُقلل من إنتاج البلوتونيوم -239 ^، اللازم للأسلحة النووية، ويؤدي إلى تحقيقات ومعاقبة مشغلي المفاعل. ^{[ 5 ]}

سلوك حفرة اليود

تنخفض فعالية المفاعل بعد إيقاف التشغيل أولًا، ثم ترتفع مجددًا، مُتخذةً شكل حفرة؛ ومن هنا جاء اسم "حفرة اليود". وتعتمد درجة التسمم، وعمق الحفرة، ومدة انقطاع التشغيل، على تدفق النيوترونات قبل إيقاف التشغيل. لا يُلاحظ سلوك حفرة اليود في المفاعلات ذات كثافة تدفق النيوترونات الأقل من 5×10¹⁶ ^{نيوترون} /م²/ث، حيث يُزال الزينون-135 بشكل أساسي عن طريق الاضمحلال بدلًا من امتصاص النيوترونات. ولأن احتياطي فعالية قلب المفاعل عادةً ما يكون محدودًا بنسبة 10% من Dk/k، فإن مفاعلات الطاقة الحرارية تميل إلى استخدام تدفق نيوترونات لا يتجاوز 5×10¹³ نيوترون ^{/ م²} / ث ^لتجنب مشاكل ^إعادة التشغيل ^{بعد إيقاف} التشغيل . ^{[ 4 ]}

يتم تحديد تغيرات تركيز ¹³⁵ Xe في قلب المفاعل بعد إيقاف تشغيله من خلال تاريخ الطاقة قصير المدى للمفاعل (الذي يحدد التركيزات الأولية لـ ¹³⁵ I و ¹³⁵ Xe)، ثم من خلال اختلافات نصف العمر للنظائر التي تحكم معدلات إنتاجها وإزالتها؛ إذا كان نشاط ¹³⁵ I أعلى من نشاط ¹³⁵ Xe، فسيرتفع تركيز ¹³⁵ Xe، والعكس صحيح.

أثناء تشغيل المفاعل عند مستوى طاقة معين، يتم إنشاء توازن علماني في غضون 40-50 ساعة، عندما يحافظ معدل إنتاج اليود-135، وتحلله إلى زينون-135، واحتراقه إلى زينون-136 وتحلله إلى سيزيوم-135 على كمية الزينون-135 في المفاعل ثابتة عند مستوى طاقة معين.

يتناسب تركيز اليود ^{-135 عند الاتزان طرديًا مع تدفق النيوترونات φ. أما تركيز الزينون -135} عند الاتزان ، فيعتمد بشكل طفيف جدًا على تدفق النيوترونات عندما يكون φ  >  10^ ¹⁷ نيوترون/م^ ² ث^ ^-1 .

تؤدي زيادة قدرة المفاعل، وزيادة تدفق النيوترونات، إلى ارتفاع إنتاج اليود ^-135 واستهلاك الزينون ^-135 . في البداية، ينخفض ​​تركيز الزينون، ثم يرتفع تدريجيًا مرة أخرى إلى مستوى توازن جديد مع تحلل اليود ^-135 الزائد . خلال زيادة نموذجية في القدرة من 50% إلى 100%، ينخفض ​​تركيز الزينون ^-135 لمدة ثلاث ساعات تقريبًا. ^{[ 6 ]}

يؤدي انخفاض قدرة المفاعل إلى تقليل إنتاج اليود ^-135 الجديد ، ولكنه يقلل أيضًا من معدل احتراق الزينون ^-135 . لفترة من الوقت ، يتراكم الزينون ^-135 ، وفقًا لكمية اليود ^-135 المتاحة ، ثم ينخفض ​​تركيزه مرة أخرى إلى حالة توازن عند مستوى قدرة المفاعل المحدد. ويبلغ تركيز الزينون ^-135 ذروته بعد حوالي 11.1 ساعة من انخفاض القدرة، ثم يتحقق التوازن بعد حوالي 50 ساعة. ويُعد الإيقاف التام للمفاعل حالة قصوى لانخفاض القدرة. ^{[ 7 ]}

إذا توفرت إمكانية كافية للتحكم في التفاعلية ، يمكن إعادة تشغيل المفاعل ، ولكن يجب إدارة احتراق الزينون العابر بعناية. عند سحب قضبان التحكم وبلوغ الحالة الحرجة ، يزداد تدفق النيوترونات بشكل كبير، ويبدأ الزينون ^-135 بامتصاص النيوترونات والتحول إلى زينون ^{-136 .} يتخلص المفاعل من السم النووي. ومع حدوث ذلك، تزداد التفاعلية، ويجب إعادة إدخال قضبان التحكم تدريجيًا وإلا ستزداد قدرة المفاعل. يعتمد الثابت الزمني لهذا الاحتراق العابر على تصميم المفاعل، ومستوى قدرة المفاعل خلال الأيام القليلة الماضية (وبالتالي تركيزات الزينون ^-135 واليود ^-135 الموجودة)، وإعدادات القدرة الجديدة. عند رفع القدرة من 50% إلى 100%، ينخفض ​​تركيز الزينون ^-135 لمدة ثلاث ساعات تقريبًا. ^{[ 6 ]}

حدثت أول حالة تسمم لمفاعل نووي بالزينون ^{-135 في 28 سبتمبر 1944، في المفاعل 100-ب في} موقع هانفورد . كان المفاعل ب مفاعلًا لإنتاج البلوتونيوم بنته شركة دوبونت كجزء من مشروع مانهاتن. بدأ تشغيل المفاعل في 27 سبتمبر 1944، لكن الطاقة انخفضت بشكل غير متوقع بعد ذلك بوقت قصير، مما أدى إلى توقفه تمامًا مساء 28 سبتمبر. في صباح اليوم التالي، استؤنف التفاعل تلقائيًا. تمكن الفيزيائيان جون أرشيبالد ويلر ، الذي كان يعمل لدى دوبونت آنذاك، وإنريكو فيرمي من تحديد أن انخفاض تدفق النيوترونات والتوقف الناتج عنه كان بسبب تراكم الزينون ^-135 في وقود المفاعل. بُني المفاعل بقنوات وقود احتياطية استُخدمت لاحقًا لزيادة مستويات التشغيل العادية للمفاعل، وبالتالي زيادة معدل احتراق الزينون ^-135 المتراكم . ^{[ 8 ]}

يمكن للمفاعلات ذات الأبعاد الفيزيائية الكبيرة، مثل مفاعلات RBMK ، أن تُظهر تفاوتات كبيرة في تركيز غاز الزينون عبر قلب المفاعل. ويُعدّ التحكم في هذه القلوب الملوثة بشكل غير متجانس، خاصةً عند مستويات الطاقة المنخفضة، تحديًا كبيرًا. وقعت كارثة تشيرنوبيل بعد استعادة المفاعل رقم 4 من حالة التلوث غير المتجانس. تم تخفيض طاقة المفاعل بشكل كبير استعدادًا لاختبار، يليه إيقاف تشغيل مُجدول. قبيل الاختبار مباشرةً، انخفضت الطاقة بشكل حاد، ويعود ذلك جزئيًا إلى تراكم نظير الزينون ^-135 نتيجةً لانخفاض معدل الاحتراق عند مستويات الطاقة المنخفضة. سحب المشغلون معظم قضبان التحكم في محاولة لرفع الطاقة. ودون علمهم، أدّت هذه الإجراءات وغيرها إلى وضع المفاعل في حالة تعرضه لحلقة تغذية راجعة من طاقة النيوترونات وإنتاج البخار. ثم تسبب نظام إيقاف تشغيل معيب في ارتفاع مفاجئ في الطاقة، مما أدى إلى انفجار المفاعل رقم 4 وتدميره.

يجب مراعاة تأثير حفرة اليود عند تصميم المفاعلات. تتطلب القيم العالية لكثافة الطاقة ، التي تؤدي إلى معدلات إنتاج عالية لمنتجات الانشطار وبالتالي تركيزات أعلى من اليود، كمية أكبر من الوقود النووي المستخدم وتخصيبه لتعويض ذلك. وبدون هذا الاحتياطي من التفاعلية، فإن إيقاف تشغيل المفاعل سيحول دون إعادة تشغيله لعشرات الساعات حتى يتحلل اليود ^-135 / الزينون ^-135 بشكل كافٍ، خاصةً قبل استبدال الوقود المستهلك (ذي الاحتراق العالي والسموم النووية المتراكمة ) بوقود جديد.

لا يمكن أن تُصاب مفاعلات الوقود السائل بعدم تجانس الزينون لأن الوقود يختلط بحرية. كما أثبتت تجربة مفاعل الملح المنصهر أن رش الوقود السائل على شكل قطرات عبر حيز غازي أثناء إعادة التدوير يسمح للزينون والكريبتون بالخروج من أملاح الوقود. ^{[ ب ]}

• سي آر ناف. "التسمم بالزينون" . هايبرفيزيكس . جامعة ولاية جورجيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 مارس 2013 .
• بيتونين ف. ص. تركيب الطاقة الحرارية الأرضية. — م.: أتوميزدات، 1960.
• ليفين ف. إ. الفيزياء الحديثة والمفاعلات النووية. 4-هناك. — م.: أتوميزدات، 1979.