Envenenamiento por Xenón


Introducción

Los reactores de grandes dimensiones físicas, por ejemplo, el tipo RBMK, pueden desarrollar faltas de uniformidad significativas en la concentración de xenón a través del núcleo. El control de tales centrales, no uniformemente envenenadas, especialmente a baja potencia, es un problema difícil. El  accidente de Chernobyl fue el resultado de un intento de gestionar el reactor a partir de un estado envenenado de manera no uniforme.

La acumulación de productos de fisión de vida media baja, que absorben neutrones y actúan como venenos nucleares del reactor, se llama intoxicación o envenenamiento por xenón.  Los principales isótopos responsables de este fenómeno son el yodo-135 y el  xenón-135, que poseen una elevada capacidad para absorber neutrones. Su presencia en el reactor es una de las principales razones de las fluctuaciones de potencia en la reacción, que se producen cuando se cambia la posición de las barras de control.

La acumulación de venenos de larga duración o incluso estables, que también absorben neutrones, forma la llamada escoria del reactor.

Uno de los productos de  fisión más comunes es el teluro-135, que sufre una desintegración beta con un período de semidesintegración de 19 segundos para dar yodo-135. Se acumula en el reactor según una tasa proporcional a la velocidad de la fisión, que a su vez es proporcional a la potencia térmica del reactor. El yodo-135 sufre desintegración beta con un período de semidesintegración de 6,57 horas para dar xenón-135. Aproximadamente el 95 % del xenón-135 procede de la descomposición de yodo-135. El isótopo 135Xe tiene una elevada capacidad de absorción  de neutrones térmicos, por lo que actúa como “veneno”, que puede ralentizar o detener la reacción en cadena. En vista de ello, los ingenieros han tomado medidas en el diseño para aumentar la reactividad del reactor (el número de neutrones por fisión que siguen fisionando otros átomos del combustible nuclear).

El xenón-135 es el absorbente de neutrones más poderoso conocido. Su acumulación en las barras de combustible reduce significativamente la reactividad del núcleo del reactor. Mediante captura de neutrones, el Xe-135 se transforma (se quema) para dar xenón-136, que es estable y no absorbe neutrones de manera significativa. La velocidad de quemado es proporcional al flujo de neutrones, que es proporcional a la potencia del reactor. Un reactor trabajando al doble de potencia tendrá el doble de velocidad de combustión del xenón.

El aumento de la potencia del reactor, y el aumento del flujo de neutrones, producen un aumento en la producción de 135I y el consumo de 135Xe hasta el nivel de equilibrio.

La disminución de la potencia del reactor baja la producción de nuevos átomos de 135I, pero también reduce la velocidad de combustión de 135Xe, ya que se reduce el flujo de neutrones.

El aumento de la concentración de 135Xe durante la bajada de potencia del reactor puede reducir la reactividad lo suficiente para paralizar el reactor de modo efectivo. Como no hay suficientes neutrones para compensar su absorción por el  135Xe, ni para quemar el xenón acumulado, el reactor tiene que ser mantenido en estado de cierre durante 1 o 2 días hasta que suficientes núcleos de 135Xe se desintegren. El xenón-135 se desintegra por emisión beta, con un periodo de semidesintegración de 9,2 horas, para dar cesio-135; un núcleo de reactor envenenado se recupera espontáneamente después de varios periodos de semidesintegración. La imposibilidad de que el reactor sea reiniciado en ese estado se llama arranque impedido por xenón o caída en un pozo de yodo; la duración de esta situación se conoce como tiempo muerto por xenón, corte por envenenamiento, o profundidad del pozo de yodo. Debido al riesgo de estas situaciones, en la primitiva industria nuclear soviética, muchas operaciones de reparación se realizaron en reactores en funcionamiento, porque los tiempos de parada de más de una hora llevarían a la acumulación de xenón que podría mantener al reactor fuera de línea por un tiempo significativo.

Comportamiento del envenenamiento por xenón

Evolución de la concentración de 135Xe (1, en azul) y de la reactividad del reactor (2, en rojo) en función del tiempo transcurrido después de la parada del reactor.

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La reactividad del reactor tras el apagado primero disminuye y luego aumenta de nuevo, teniendo la forma de un pozo o trampa, lo que le da su nombre de “pozo de yodo” (véase la línea roja de la gráfica). El grado de envenenamiento, y la profundidad del pozo o trampa y la correspondiente duración de la parada, dependen del flujo de neutrones antes del apagado. Los cambios de concentración de 135Xe en el núcleo del reactor, después de su apagado, están determinados por la historia de la potencia a corto plazo del reactor, que determina las concentraciones iniciales de 135I y 135Xe, y luego por las diferencias en el periodo de semidesintegración de los isótopos, lo cual regula las tasas de su producción y eliminación. Si la actividad de 135I es mayor que la actividad de 135Xe, la concentración de 135Xe subirá, y viceversa.