زينون-135

الزينون-135 ( ¹³⁵ Xe ) هو نظير غير مستقر للزينون بنصف عمر يبلغ 9.14 ساعة، ويتحلل إلى السيزيوم -135 طويل العمر .

يُعدّ الزينون ^-135 ناتجًا من نواتج الانشطار النووي ، وهو أقوى سم نووي معروف لامتصاص النيوترونات (2 مليون بارن ؛ ^{[ 3 ]} ويصل إلى 3 ملايين بارن في ظروف المفاعل ^{[ 4 ]} )، وله تأثير كبير على تشغيل المفاعل النووي . تبلغ نسبة الزينون-135 الناتج عن الانشطار حوالي 6.6% (لليورانيوم) أو 7.4% (للبلوتونيوم)، ^{[ 5 ]} والغالبية العظمى منه ناتجة عن اليود-135 . ومن الطبيعي أن تتشكل نواتج الانشطار في سلسلة التحلل هذه.

في المفاعل النووي النموذجي الذي يعمل بوقود اليورانيوم-235 ، يُشكّل وجود الزينون ^-135 كناتج انشطار مشكلةً للمصممين والمشغلين نظرًا لمقطعه العرضي الكبير لامتصاص النيوترونات. ولأن امتصاص النيوترونات قد يُضعف قدرة المفاعل النووي على زيادة الطاقة، تُصمّم المفاعلات للتخفيف من هذا التأثير، ويُدرّب المشغلون على توقع هذه التغيرات العابرة والاستجابة لها. يعود هذا النهج إلى أولى أكوام الانشطار النووي ، التي شُيّدت ضمن مشروع مانهاتن خلال الحرب العالمية الثانية . اشتبه إنريكو فيرمي في أن الزينون ^-135 سيعمل كمثبط قوي للنيوترونات، واتبع نصيحة إميليو سيغري بالتواصل مع تلميذه تشين-شيونغ وو . وقد أكّدت ورقة وو غير المنشورة حول الزينون ^-135 تخمين فيرمي بأنه يمتص النيوترونات، وكان سببًا في الأعطال التي لحقت بمفاعل B الذي كان يُستخدم آنذاك في هانفورد ، واشنطن، لإنتاج البلوتونيوم اللازم للقنبلة الأمريكية ذات الانفجار الداخلي . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

خلال فترات التشغيل المستقر عند مستوى تدفق نيوتروني ثابت ، يصل تركيز الزينون ^{-135 إلى قيمة} التوازن عند قدرة المفاعل الحالية في غضون 40 إلى 50 ساعة تقريبًا. عند زيادة قدرة المفاعل، ينخفض ​​تركيز الزينون ^-135 مبدئيًا نتيجةً لزيادة معدل الاحتراق عند مستوى القدرة الجديد. ولأن 95% من إنتاج الزينون ^-135 ناتج عن تحلل اليود ^-135 ، الذي يبلغ عمر النصف له 6.58 ساعة، يبقى إنتاج الزينون ^-135 ثابتًا؛ وعند هذه النقطة، يصل تركيز الزينون ^-135 إلى أدنى مستوى له. ثم يرتفع التركيز إلى مستوى التوازن الجديد (أو بالأحرى مستوى التشغيل المستقر) عند مستوى القدرة الجديد في غضون 40 إلى 50 ساعة تقريبًا. خلال الساعات الأربع إلى الست الأولى التي تلي تغيير القدرة، يعتمد مقدار ومعدل تغير التركيز على مستوى القدرة الأولي وعلى مقدار التغير في مستوى القدرة؛ ويكون تغير تركيز الزينون ^-135 أكبر مع زيادة التغير في مستوى القدرة. عند خفض قدرة المفاعل، تنعكس العملية. ^{[ 8 ]}

اليود-135 هو ناتج انشطار اليورانيوم بنسبة تقارب 6% (بما في ذلك اليود ^-135 الناتج فورًا تقريبًا من تحلل التيلوريوم-135 الناتج عن الانشطار). ^{[ 9 ] يتحلل اليود-135} هذا بنصف عمر يبلغ 6.58 ساعة إلى زينون ^-135 . وبالتالي، في المفاعل النووي العامل، يُنتج زينون ^{-135 باستمرار. يتميز زينون -135} بمقطع عرضي كبير جدًا لامتصاص النيوترونات، لذلك في بيئة التدفق النيوتروني العالي لقلب المفاعل النووي، يمتص زينون ^-135 نيوترونًا بسرعة ويصبح مستقرًا فعليًا ^.الزينون . (نصف عمر ¹³⁶Xe >10 ²¹ سنة، ولا يتم التعامل معه كنظير مشع.) وبالتالي، في غضون 50 ساعة تقريبًا، ^{يصل تركيز 135} Xe إلى حالة التوازن حيث يتم موازنة تكوينه عن طريق ^{تحلل 135} I مع تدميره عن طريق امتصاص النيوترونات.

عند خفض طاقة المفاعل أو إيقافه بإدخال قضبان تحكم ماصة للنيوترونات، ينخفض ​​تدفق النيوترونات في المفاعل، وينزاح التوازن مبدئيًا نحو تركيز أعلى من الزينون ^{-135 . ويبلغ تركيز الزينون -135} ذروته بعد حوالي 11 ساعة من خفض طاقة المفاعل. ونظرًا لأن عمر النصف للزينون ^{-135 يبلغ 9.14 ساعة، فإن} تركيزه يتناقص تدريجيًا إلى مستويات منخفضة على مدى 72 ساعة.

يُصعّب المستوى المرتفع مؤقتًا لنظير الزينون ^-135، ذو المقطع العرضي العالي لامتصاص النيوترونات، إعادة تشغيل المفاعل لعدة ساعات. يعمل الزينون ^-135 ، الممتص للنيوترونات ، كقضيب تحكم، مما يقلل من التفاعلية. يُشار أحيانًا إلى عدم قدرة المفاعل على بدء التشغيل بسبب تأثيرات الزينون ^-135 باسم "بدء التشغيل المُعاق بالزينون"، ويُقال إن المفاعل "مُسمّم". ^{[ 10 ]} تُسمى الفترة الزمنية التي يعجز فيها المفاعل عن التغلب على تأثيرات الزينون ^-135 "زمن توقف الزينون".

إذا توفرت سلطة كافية للتحكم في التفاعل ، يمكن إعادة تشغيل المفاعل، ولكن يجب إدارة احتراق الزينون العابر بعناية. عند سحب قضبان التحكم والوصول إلى حالة التفاعل الحرجة ، يزداد تدفق النيوترونات عدة مراتب، ويبدأ الزينون ^-135 بامتصاص النيوترونات والتحول إلى ^{الزينون-136.}يحرق المفاعل غاز الزينون (Xe ^{) للتخلص من السم النووي. ومع حدوث ذلك، تزداد الفعالية وتدفق النيوترونات، ويجب إعادة إدخال قضبان التحكم تدريجيًا لموازنة فقدان امتصاص النيوترونات بواسطة الزينون -135} . وإلا، سيستمر تدفق النيوترونات في المفاعل بالازدياد، مما يؤدي إلى حرق المزيد من سم الزينون، وصولًا إلى حالة التفاعل النووي المتسلسل . يعتمد الثابت الزمني لهذه العملية الانتقالية للاحتراق على تصميم المفاعل، ومستوى الطاقة الذي كان عليه المفاعل خلال الأيام القليلة الماضية، وإعداد الطاقة الجديد. عند رفع مستوى الطاقة من 50% إلى 100%، ^{ينخفض ​​تركيز الزينون -135} لمدة ثلاث ساعات تقريبًا. ^{[ 11 ]}

كان التسمم بغاز الزينون أحد العوامل المساهمة في كارثة تشيرنوبيل ؛ فخلال عملية خفض الطاقة، تسبب خطأ بشري وتسمم بغاز الزينون في انخفاض الطاقة الحرارية للمفاعل إلى مستويات قريبة من مستوى الإيقاف. ونتيجةً لذلك، وضعت جهود الطاقم لاستعادة الطاقة المفاعل في وضع غير آمن للغاية. كما أدى خلل في نظام إيقاف التشغيل التلقائي (SCRAM) إلى زيادة التفاعلية، مما تسبب في ارتفاع مفاجئ في درجة الحرارة وانفجار بخاري مزق المفاعل.

قد تتمكن المفاعلات التي تستخدم إعادة المعالجة المستمرة، كما هو الحال في العديد من تصميمات مفاعلات الأملاح المنصهرة، من استخلاص الزينون ^-135 من الوقود وتجنب هذه التأثيرات. لا يمكن لمفاعلات الوقود السائل أن تُصاب بعدم تجانس الزينون لأن الوقود يختلط بحرية. كما أظهرت تجربة مفاعل الأملاح المنصهرة أن رش الوقود السائل على شكل قطرات عبر حيز غازي أثناء إعادة التدوير يسمح للزينون والكريبتون بالخروج من أملاح الوقود. إن إزالة الزينون ^-135 من التعرض للنيوترونات يُحسّن من كفاءة استخدام النيوترونات، ولكنه يتسبب في إنتاج المفاعل كمية أكبر من ناتج الانشطار طويل العمر، السيزيوم ^-135 . يتكثف السيزيوم-135 طويل العمر (ولكنه أقل إشعاعًا بمقدار 76000 مرة) في خزان منفصل بعد تحلل ^{135 زينون، وهو منفصل فعليًا عن} السيزيوم-137 ( ¹³⁷ Cs) الذي يبلغ عمر النصف له 30.05 عامًا والذي ينتج في الوقود، ومن العملي التعامل معهما بشكل منفصل (يبلغ ناتج الانشطار حوالي 6٪ لكليهما).

تخضع ذرة الزينون ¹³⁵ التي لا تلتقط نيوترونًا لتحلل بيتا إلى السيزيوم ¹³⁵ ، وهو أحد نواتج الانشطار السبعة طويلة العمر ، بينما تصبح ذرة الزينون ¹³⁵ التي تلتقط نيوترونًا ذرة الزينون ¹³⁶ شبه مستقرة .

تتفاوت احتمالية التقاط النيوترون قبل تحلله بتغير تدفق النيوترونات، والذي يعتمد بدوره على نوع المفاعل، ونسبة تخصيب الوقود، ومستوى الطاقة؛ وتتحول نسبة السيزيوم ^-135 إلى الزينون ^-136 إلى فرعها السائد بالقرب من ظروف المفاعل الاعتيادية. تشمل تقديرات نسبة الزينون ^-135 الذي يلتقط نيوترونًا أثناء تشغيل المفاعل في حالة الاستقرار 90%، ^{[ 12 ]} و39%–91% ^{[ 13 ]} و"جميعها تقريبًا". ^{[ 14 ]} على سبيل المثال، في تدفق نيوتروني (عالي نوعًا ما) يبلغ 10¹⁴ ^{نيوترون} /سم² ^· ثانية ^، يكون المقطع العرضي للزينون σ =2.65 × 10 ⁻¹⁸ سم ² (2.65 × 10⁶ ^حظيرة ) سيؤدي إلى احتمال التقاط قدره2.65 × 10⁻⁴ ثانية⁻¹ ^، وهو ما يعادل نصف عمر يبلغ حوالي ساعة واحدة. وبالمقارنة مع نصف عمر الزينون ^{-135 البالغ 9.14 ساعة، فإن} هذه النسبة التي تقارب عشرة إلى واحد تعني أنه في ظل هذه الظروف، سيلتقط كل الزينون ^-135 تقريبًا نيوترونًا قبل أن يتحلل. ولكن إذا انخفض تدفق النيوترونات إلى عُشر هذه القيمة، كما هو الحال في مفاعلات كاندو ، فستكون النسبة 50-50، وسيتحلل نصف الزينون ^-135 إلى السيزيوم ^-135 قبل أن يلتقط نيوترونًا.

^{ينتهي المطاف بـ 136} Xe الناتج عن التقاط النيوترونات كجزء من الزينون الانشطاري المستقر في نهاية المطاف والذي يشمل أيضًا ¹³⁴ Xe و ¹³² Xe و ¹³¹ Xe الناتج عن الانشطار والتحلل بيتا بدلاً من التقاط النيوترونات.

تتحلل نوى الزينون ^-133 ، والزينون ^-137 ، والزينون ^-135 التي لم تلتقط نيوترونًا إلى نظائر السيزيوم عبر تحلل بيتا . ينتج الانشطار الزينون ^-133 ، والزينون ^-137 ، والزينون ^-135 بكميات متساوية تقريبًا، ولكن بعد التقاط النيوترونات، يحتوي السيزيوم الناتج عن الانشطار على السيزيوم ^-133 الأكثر استقرارًا (والذي يمكن أن يتحول إلى السيزيوم ^-134 عند تنشيطه بنيوترونات أخرى ) والسيزيوم ^-137 الأكثر إشعاعًا من السيزيوم ^-135 .

قد تشهد المفاعلات الحرارية الكبيرة ذات الترابط المنخفض بين مناطقها تذبذبات مكانية في القدرة ^{[ 15 ]} نتيجةً للتوزيع غير المنتظم لغاز الزينون-135. تحدث هذه التذبذبات نتيجةً لاضطرابات سريعة في توزيع القدرة، مما يؤدي إلى عدم توافق توزيع الزينون واليود مع توزيع القدرة المضطرب. ينتج عن ذلك تحول في توزيع الزينون واليود، مما يتسبب في تغير توزيع القدرة في اتجاه معاكس للاضطراب الأولي.

يعتمد معدل الإنتاج اللحظي للزينون-135 على تركيز اليود-135، وبالتالي على تاريخ تدفق النيوترونات المحلي. من جهة أخرى، يعتمد معدل تدمير الزينون-135 على تدفق النيوترونات المحلي اللحظي.

يؤدي الجمع بين التوليد المتأخر وارتفاع مقطع امتصاص النيوترونات إلى تأثيرات متنوعة على تشغيل المفاعل النووي. ويتم وصف الآلية في الخطوات الأربع التالية.

1. يؤدي النقص الأولي في التناظر (على سبيل المثال، التناظر المحوري، في حالة التذبذبات المحورية) في توزيع الطاقة في قلب المفاعل (على سبيل المثال نتيجة لحركة قضبان التحكم الكبيرة) إلى عدم التوازن في معدلات الانشطار داخل قلب المفاعل، وبالتالي، في تراكم اليود-135 وامتصاص الزينون-135.
2. في منطقة التدفق العالي، يسمح احتراق الزينون-135 بزيادة التدفق، بينما في منطقة التدفق المنخفض، تؤدي زيادة الزينون-135 إلى مزيد من الانخفاض في التدفق. يزداد تركيز اليود حيث يكون التدفق عاليًا وينخفض ​​حيث يكون التدفق منخفضًا. هذا التحول في توزيع الزينون من شأنه أن يزيد (يقلل) من خصائص التكاثر في المنطقة التي زاد (قلل) فيها التدفق، مما يعزز ميل التدفق.
3. بمجرد أن ترتفع مستويات اليود-135 بشكل كافٍ، يؤدي تحلله إلى الزينون إلى عكس الوضع الأولي. ينخفض ​​التدفق في هذه المنطقة، وتزداد طاقة المنطقة ذات التدفق المنخفض السابقة.
4. يمكن أن يؤدي تكرار هذه الأنماط إلى تذبذبات الزينون التي تتحرك حول النواة بفترات زمنية تبلغ حوالي 24 ساعة.

مع تغير طفيف في مستوى الطاقة الإجمالي، يمكن لهذه التذبذبات أن تُغير مستويات الطاقة المحلية بشكل ملحوظ. وقد يمر هذا التذبذب دون أن يُلاحظ، ويصل إلى مستويات تدفق نووي محلية خطيرة إذا اقتصرت المراقبة على إجمالي طاقة قلب المفاعل. لذا، تستخدم معظم مفاعلات الماء المضغوط كاشفات نيوترونية خارجية ذات نطاق طاقة مزدوج لمراقبة النصفين العلوي والسفلي من قلب المفاعل بشكل منفصل.

• نظائر الزينون
• إيقاف تشغيل (المفاعل النووي)

• "تسمم الزينون" أو امتصاص النيوترونات في المفاعلات