Análisis y modelado del envenenamiento por xenón en un reactor nuclear. El caso de Chernóbil.

Abstract

Los reactores nucleares de fisión son hoy en día una de las principales fuentes de electricidad. Son dispositivos muy poderosos que utilizando unas cantidades de combustible relativamente pequeñas permiten obtener grandes cantidades de energía. En el interior de un reactor en funcionamiento pueden encontrarse diferentes isótopos, y todos ellos interaccionan de una manera u otra con los neutrones en circulación. Teniendo en cuenta que para que se lleve a cabo la fisión es necesario el impacto de neutrones en los núcleos del combustible, todo aquello que modifique el número de neutrones en el interior del reactor afectará a la reactividad. Es por esto por lo que, para un funcionamiento del reactor controlado, deberán considerarse las interacciones entre los neutrones y cada uno de los isótopos presentes en el núcleo, en sus correspondientes concentraciones. En este trabajo se analizará la interacción entre neutrones y núcleos de diferentes isótopos, centrándose en aquellos isótopos con alta tendencia a absorber neutrones (venenos nucleares), particularmente en el xenón 135, cuya capacidad de captura de neutrones es muy elevada en comparación con la del combustible. Se observará mediante simulaciones como la concentración de este isótopo (y por consiguiente la medida en la que afecta a la reactividad) tiene un comportamiento importante a tener en cuenta cuando se producen variaciones de potencia. Al detener el reactor, la concentración de xenón 135 aumenta hasta alcanzar un pico, cuya dimensión dependerá del flujo de neutrones previo a la parada y que puede llegar a aportar niveles de reactividad negativa que impidan el reinicio del reactor, produciéndose así el envenenamiento por xenón. El fenómeno de envenenamiento por xenón fue descubierto durante la puesta en marcha del primer reactor nuclear de tamaño industrial durante el desarrollo del proyecto Manhattan, y fue un gran influyente en el accidente del reactor nuclear de Chernóbil. Es necesario el conocer su comportamiento para garantizar un funcionamiento adecuado y seguro del reactor

Fission nuclear reactors are nowadays one of the main sources of electricity. They are very powerful devices that, using relatively small amounts of fuel, allow obtaining large amounts of energy. Inside a reactor in operation, thousands of different isotopes can be found, and all of them interact in one way or another with the neutrons in motion. Considering that the impact of a neutron on the fuel nuclei is necessary for fission to occur, anything that modifies the number of neutrons inside the reactor will affect reactivity. This is why, for controlled reactor operation, interactions between neutrons and every isotope found in the core, considering their concentrations, must be taken into account. The interaction between neutrons and nuclei of different isotopes will be analysed in this paper, focusing on those isotopes with a high tendency to absorb neutrons (nuclear poisons), particularly xenon-135, whose neutron capture tendency is very high compared to the one of the fuel. It will be observed through simulations how the concentration of this isotope (and consequently its impact on reactivity) behaves in a certain way, which is important to take in consideration, specially when power variations occur. When the reactor is shut down, the concentration of xenon-135 increases until it reaches a peak, the magnitude of which will depend on the neutron flux prior to the shutdown and may put in enough negative reactivity quantities that can prevent reactor restart, thus causing xenon poisoning. The phenomenon of xenon poisoning was discovered during the startup of the first industrial-sized nuclear reactor during the Manhattan Project and was a major factor in the Chernobyl nuclear reactor accident. Understanding its behaviour is necessary to ensure proper and safe reactor operation.