中子毒物

中子毒物（英語：）是一種具有大中子吸收截面的物質，由於會對連鎖反應造成負面影響，而被稱為「毒物」，常應用於反應堆物理計算中。[1]在反應堆中，我們盡可能希望中子由可裂變物質吸收，使之發生核分裂。然而，一些物質具有強烈的中子捕獲現象，會導致降低反應器運轉的反應性。有些毒物會在反應器運轉過程中吸收中子而消耗掉，但有些則保持不變。

中子被短半衰期的核分裂產物吸收稱為「反應堆中毒」；中子被長半衰期或穩定的核分裂產物吸收稱為「反應器結渣」。[2]

暫時性核分裂產物毒物

一些在核分裂產生的分裂產物具有高中子吸收能力，如：135Xe（微觀中子吸收截面σ=2,000,000 b）與149Sm（微觀中子吸收截面σ=74,500 b）。因為這兩個物質在反應器內大量吸收中子，進而影響熱利用率與核反應度。尤其在反應器爐心的影響更為明顯，嚴重的話會使連鎖反應缺乏足夠中子而停止。

其中，135Xe在反應器中具有最顯著的影響。當反應器要再重新啟動時，由於分裂產物的衰變，使135Xe的累積增加（約在反應器關閉後10小時後達到最大值），會使反應器在一段時間內無法立即重啟，這段期間被稱作「死機時間（英語：）」。[3]在穩定運轉期間，以恆定的中子通量來看，135Xe濃度達到長期平衡所需時間約40到50小時。當反應器功率增加時，因為燃燒度隨著功率增加而上升，使得中子產生數目增加，135Xe濃度下降。[4]因此，135Xe的濃度變化代表的是一種反應度的正向反饋，由其是在大型反應器中更顯重要。

因為95%的135Xe是來自於135I（半衰期約6到7小時）的衰變產物，所以135Xe的濃度會保持恆定，此時135Xe的濃度會維持在最低值。當反應器功率增加到較高功率時，135Xe濃度也會移動到新的平衡。反應器功率下降時則相反。[5]

因為149Sm並不具有放射性，所以不會被衰變消耗掉，它會產生與135Xe不大相同的問題。149Sm濃度會在反應器運轉超過500小時（約3個禮拜）後達到平衡，之後在運轉期間便不再變化，保持恆定。[6]另一個中子毒物157Gd的微觀中子吸收截面σ=200,000 b。

累積性核分裂產物毒物

有許多核分裂產物都會吸收中子對反應器造成一定影響。個別來看，它們不會有特別的影響，但累積在一起時則有顯著的效應發生。這些物質被稱為「團塊核分裂產物」，在反應器中以每次分裂產生50靶恩的速率累積。核分裂產物毒物最終會使核燃料的使用效率下降，甚至導致核反應不穩定。在實務上，毒物累積會讓核燃料的可用活期縮短，造成連鎖反應減緩。這就是為什麼燃料再處理十分重要的原因，使用過的核燃料中仍包含約97%的可裂變材料，經過化學的方法分離出來後，與新燃料混和即可再投入反應器中使用，可以節省成本，但有核擴散的疑慮。

其他去除裂變產物方法，如：固態多孔燃料可以讓氣態的裂變產物散逸，或使用氣態、液態的燃料（熔融鹽反應器、可溶水勻相反應器）。這些方法可減輕毒物累積，但會造成安全移除與廢料儲存問題。

其他具有高中子吸收截面的核分裂產物有：83Kr、95Mo、143Nd、147Pm。在這些元素的原子量以上，就算是偶數質量數，其放射性同位素仍有較大的吸收截面，允許核種連續地吸收不同能量的中子。較重的錒系元素在核分裂反應後，會有較多的分裂產物落在鑭系元素的範圍，所以其總中子吸收截面較高。

在快反應器中，分裂產物毒物的情形較不一樣，那是因為中子吸收截面在快中子與熱中子之間並不相同。在鉛鉍共晶的鉛冷式快反應爐中，吸收中子而裂變的分裂產物會較總分裂產物多出5%。如：在爐心中，133Cs、101Ru、103Rh、99Tc、105Pd和107Pd；在增殖層中，149Sm取代107Pd。[7]

衰變毒物

除了中子毒物，在反應器中其他的材料也會吸收中子造成衰變，例如：3H吸收中子衰變為3He。原本氚的半衰期長達12.3年，衰變時間長，對反應器較沒有顯著影響。然而，當反應器停機幾個月後，仍留在爐中的氚可能會吸收中子而衰變為氦-3，造成反應度的負面影響增強。任何在這段期間產生的氦-3，會被隨後的中子—質子變換中反應掉。

控制毒物

在運轉中的反應器中，燃料會以單調函數遞減。假如反應器已運轉了很長一段時間，就必須更換燃料以達到臨界質量。而額外燃料所超出的正反應度，必須與中子吸收材料產生的負反應度相抵消。含有中子吸收材料的可移動控制棒是控制反應的一種方法，但並不是所有反應器爐心都適用，要視其形狀而定。

可燃毒物

可燃並非指在空氣下可以燃燒，而是在核反應中可被消耗掉的意思。為了控制大量超出的燃料正反應度，在沒有控制棒的情況下，可燃毒物會被裝入爐心。可燃毒物是具有高中子吸收截面的物質，吸收中子後會衰變為低中子吸收截面的新物質。由於毒物的持續衰變，其負反應度影響會逐漸減弱。理想上，它的減弱速率會與燃料消耗速率一致。固定型可燃毒物通常會以硼或釓的化合物形式出現，被作成針狀或盤狀，甚至是直接添加在燃料內部。因為他們可以分布的較控制棒均勻，所以對功率的影響較小。固定型可燃毒物也可能被離散在爐心中的特定位置，用以控制中子通量，避免某些區塊的通量或功率較大，但現多用固定型的不可燃毒物取代。[8]

不可燃毒物

不可燃毒物是一種在爐心週期內持續維持負反應度的物質。當然，並沒有真正的不可燃毒物，但在某些條件下可視為不可燃，例如：鉿。鉿其中一種同位素在吸收中子後衰變為另一種中子吸收劑，並持續5個衰變反應都是類似的情形。這種反應產生的長半衰期可燃毒物即可視為不可燃毒物。[9]

可溶毒物

可溶毒物在溶於冷卻劑水後，會均勻分布在空間中。商用壓水式反應爐中最常見的可溶毒物是硼酸。硼酸會降低熱利用因子，使反應度下降。利用不同的硼酸濃度（析出或溶解），可以容易地調整反應度變化。假如濃度上升，冷卻劑或減速劑會吸收更多中子，產生負反應度。反之則中子吸收下降，反應度上升。但這種濃度變化緩慢，主要是作為輔助方式使用。這種方法可以減少控制棒的使用，使中子通量維持在恆定狀態。[8]所有美製的壓水式反應器都有使用這項系統，美國海軍的反應器與沸水式反應爐則不使用。

可溶毒物也被用於緊急停機安全系統中。在緊急停機時，操作員會直接注入含有可溶毒物的冷卻劑於爐心內部。像是四硼酸鈉和硝酸釓（Gd(NO3)3·xH2O）。[8]

2011年3月16日，南韓宣稱應日本政府要求運送了53噸的硼酸前往日本，防止爐心熔毀發生。[10]

注釋

    參考資料
    1. . United States Nuclear Regulation Committee. [2011-08-04]. （原始内容存档于2020-10-25）.
    2. Kruglov , A. K. The history of the Soviet atomic industry （页面存档备份，存于）, Taylor & Francis, 2002 ISBN 0-415-26970-9, p. 57
    3. Lamarsh, John.R. .
    4. Lamarsh, John.R. .
    5. DOE Handbook, pp. 35–42.
    6. DOE Handbook, pp. 43–47.
    7. A. A. Dudnikov, A. A. Sedov. (PDF). International Atomic Energy Agency.
    8. DOE Handbook, p. 31.
    9. DOE Handbook, p. 32.
    10. . [2013-01-26].

    參考書目
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.