Ксенон-135

Ксенон-135 — это радиоактивный изотоп химического элемента ксенона с массовым числом 135. Относится к группе благородных газов. Обладает одним из самых больших известных сечений захвата тепловых нейтронов среди всех стабильных и радиоактивных нуклидов, что обуславливает его ключевое значение в физике ядерных реакторов. Ксенон-135 является продуктом деления ядер урана и плутония, а также образуется в результате радиоактивного распада теллура-135 и иода-135.

Физические и ядерные свойства

Ксенон-135 — бета-излучатель. Его период полураспада составляет 9 часов 14 минут (9,23 часа). При распаде испускает бета-частицы (электроны) с максимальной энергией 0,91 МэВ и превращается в стабильный изотоп цезия-135. Основной канал образования — бета-распад иода-135 (период полураспада 6,57 часа), который, в свою очередь, является продуктом деления ядерного топлива.

Ключевая особенность ¹³⁵Xe — аномально высокое сечение захвата тепловых нейтронов, достигающее 2,7×10⁶ барн (2,7 миллиона барн) для наиболее распространённого изотопа ¹³⁵Xe в основном состоянии. Для сравнения, сечение захвата урана-235 составляет около 580 барн. Это делает ¹³⁵Xe мощнейшим поглотителем нейтронов, способным существенно влиять на нейтронный баланс в активной зоне реактора.

Цепочка образования и распада

Образование и исчезновение ксенона-135 в ядерном реакторе описывается сложной цепочкой превращений:

1. Теллур-135 (¹³⁵Te, период полураспада 19 секунд) — продукт деления.
2. Иод-135 (¹³⁵I, период полураспада 6,57 часа) — продукт бета-распада ¹³⁵Te.
3. Ксенон-135 (¹³⁵Xe, период полураспада 9,23 часа) — продукт бета-распада ¹³⁵I.
4. Цезий-135 (¹³⁵Cs, период полураспада 2,3 миллиона лет) — продукт бета-распада ¹³⁵Xe.

Параллельно существует прямой выход ксенона-135 при делении (около 0,3% от всех осколков деления), но основной вклад (свыше 95%) даёт распад иода-135.

Явление «ксеноновой ямы» (отравление реактора ксеноном)

Наиболее известное практическое проявление свойств ксенона-135 — так называемое ксеноновое отравление или ксеноновая яма. Это явление возникает при изменении мощности ядерного реактора, особенно при её снижении или остановке.

Механизм возникновения

В работающем реакторе на постоянной мощности устанавливается равновесие: количество образующегося ксенона-135 (из иода-135) равно количеству «выгорающего» (захватывающего нейтроны) и распадающегося ксенона. Концентрация ¹³⁵Xe в этом режиме относительно невелика (порядка 10¹⁵ атомов/см³).

При снижении мощности или остановке реактора поток нейтронов резко падает. Это приводит к двум последствиям:

1. Прекращается «выгорание» ксенона. Поскольку нейтронов для захвата становится мало, ксенон перестаёт уничтожаться этим путём.
2. Продолжается образование ксенона. Иод-135, накопившийся в топливе за время работы на мощности, продолжает распадаться с периодом полураспада 6,57 часа, порождая всё новые атомы ксенона-135.

В результате концентрация ¹³⁵Xe в активной зоне начинает резко расти, достигая пика через 6–12 часов после остановки. Это приводит к резкому увеличению поглощения нейтронов, что может сделать реактор подкритичным — то есть невозможным для повторного запуска без принятия специальных мер.

Последствия и управление

Ксеноновая яма — серьёзная эксплуатационная проблема для энергетических реакторов. Для её преодоления операторы должны либо обладать избыточным запасом реактивности (например, за счёт извлечения стержней управления), либо ждать, пока избыточный ксенон-135 сам распадётся (период полураспада 9,23 часа), что занимает обычно 1–2 суток.

• Реакторы ВВЭР (Россия): Конструкция этих реакторов предусматривает значительный запас реактивности, позволяющий преодолевать ксеноновое отравление и осуществлять манёвры мощностью в определённом диапазоне.
• Реакторы РБМК (Россия): Ксеноновое отравление было одним из факторов, усугубивших развитие аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Снижение мощности перед аварией привело к росту концентрации ксенона-135, что потребовало извлечения большого количества стержней управления для поддержания цепной реакции, что, в свою очередь, снизило оперативный запас реактивности и повлияло на динамику разгона реактора.
• Реакторы на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800, Россия): В таких реакторах спектр нейтронов жёсткий, и сечение захвата ксенона-135 значительно ниже, чем в тепловых реакторах. Поэтому ксеноновое отравление для них не является критической проблемой.

Роль в производстве радиоизотопов

Ксенон-135, наряду с другими изотопами ксенона, является одним из продуктов деления, который необходимо учитывать при переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). При растворении топлива в азотной кислоте газообразные продукты деления, включая ксенон-135, выделяются в газовую фазу. Для предотвращения выбросов в атмосферу на радиохимических заводах применяются системы очистки и улавливания благородных газов.

Ксенон-135 в атмосфере

Небольшие количества ксенона-135 постоянно присутствуют в атмосфере Земли. Естественное образование происходит в результате спонтанного деления урана-238 в земной коре, а также под действием космических лучей. Однако основным источником ¹³⁵Xe в атмосфере является деятельность человека — работа ядерных реакторов и переработка ОЯТ. Из-за короткого периода полураспада (9 часов) его концентрация в атмосфере невелика и быстро снижается после прекращения выбросов. Мониторинг содержания ксенона-135 в воздухе используется системами международного контроля за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) для обнаружения несанкционированных ядерных взрывов, при которых также образуется этот изотоп.

Интересные факты

• Ксенон-135 является одним из немногих изотопов, который способен «отравить» реактор настолько, что его повторный запуск становится невозможным в течение нескольких суток без специальных процедур.
• В англоязычной литературе явление ксеноновой ямы часто называют «iodine pit» («иодная яма»), подчёркивая роль иода-135 как предшественника ксенона.
• Из-за высокого сечения захвата ксенон-135 иногда называют «нейтронным ядом» — веществом, которое эффективно поглощает нейтроны и мешает цепной реакции.

Источники

1. Мурин А. Н., Гусев Н. Г. «Введение в радиохимию». — М.: Атомиздат, 1975.
2. Петунин В. П. «Теплоэнергетика ядерных установок». — М.: Атомиздат, 1976.
3. Атомная энергия. Том 1, № 4. Статья «Ксеноновое отравление реакторов». — 1956.
4. INSAG-7. «Отчёт о Чернобыльской аварии». Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), 1992.
5. Данные Национального центра ядерных данных (США) — NuDat 3.0.