Cuestiones
de Física Nuclear y Física Atómica - Respuesta
19
¿Que
es el envenenamiento por productos de fisión o el envenenamiento
por xenón tras la parada de un reactor?
Durante el periodo de funcionamiento de un reactor nuclear, se
van acumulando los fragmentos de fisión y sus numerosos
productos de desintegración. Algunas de estas sustancias,
particularmente xenón – 135 y samario – 149
poseen elevada sección eficaz de absorción para
neutrones térmicos y actúan como venenos del reactor,
influyendo sobre el factor de multiplicación efectivo,
principalmente por disminución de la utilización
térmica.
La concentración de productos de fisión venenosos
guarda relación con el flujo de neutrones térmicos
existentes en el reactor. En consecuencia, al producirse una variación
de reactividad, lo que trae consigo una variación del flujo
neutrónico, se modifica también la concentración
de productos venenosos y esta influye a su vez sobre la reactividad.
Sin embargo, la variación con respecto al tiempo de la
concentración de productos venenosos es pequeña,
en general, comparada con la correspondiente variación
del flujo neutrónico, por lo que no es necesario realizar
ninguna corrección en las ecuaciones cinéticas del
reactor para tener en cuenta la influencia de los productos de
fisión venenosos.
Ahora bien, aunque los productos de fisión apenas influyen
sobre la cinética del reactor, si es importante el efecto
que ejercen sobre la reactividad, por lo que debe tenerse en cuenta
este hecho al proyectar tanto el núcleo del reactor como
el sistema de control.
Un producto de fisión determinado, tal como el xenón
– 135, se forma por fisión, directa o indirectamente,
y desaparece por desintegración radiactiva y por captura
neutrónica. Como consecuencia de estos dos tipos opuestos
de reacciones, la concentración del veneno llega a alcanzar
un valor de equilibrio, correspondiente al nivel de potencia a
que funciona el reactor. Sin embargo, cuando el reactor se para,
continua durante cierto tiempo la formación indirecta del
xenón – 135, por desintegración de su precursor
yodo – 135, mientras que se reduce extraordinariamente la
causa principal de desaparición de dicho núclido,
captura neutrónica, dada la pequeñez del flujo de
neutrones térmicos. El resultado es que la concentración
de productos de fisión pasa por un máximo antes
de que comience a disminuir en su etapa final.
Tanto la concentración de equilibrio, mientras el reactor
esté funcionando, como la concentración máxima
de productos de fisión, después de la parada, vienen
determinados por el flujo neutrónico ( o el nivel de potencia)
del reactor. Esto significa que el efecto de un veneno determinado
sobre la reactividad dependerá de las condiciones de funcionamiento
del reactor, así como de la naturaleza del propio veneno.
Para calcular el tiempo necesario para que la concentración
del xenón – 135, tras la parada, alcance su valor
máximo necesitamos deducir una ecuación que nos
exprese la concentración de dicho producto respecto al
tiempo.
Suponiendo que el flujo neutrónico cae bruscamente a cero,
la velocidad de variación de la concentración de
xenón – 135 viene dada por:
Siendo ts el tiempo transcurrido desde el instante
en que se para el reactor.
Para integrar la anterior ecuación se multiplican los dos
miembros de ella por el factor integrante 
para llegar, teniendo en cuenta las condiciones de contorno a:
Donde X(ts) representa la concentración de xenón
– 135 al cabo del tiempo ts una vez parado el
reactor. Los valores de Io y Xo, correspondientes al equilibrio
alcanzado durante el periodo de funcionamiento dependen del flujo
neutrónico mantenido durante el funcionamiento del reactor,
por lo que dicho flujo afectará también a la “acumulación”
de xenón una vez que el reactor se para.
Si derivamos la anterior ecuación respecto del tiempo e
igualamos dicha expresión a cero, obtenemos el tiempo necesario
para que la concentración de xenón tras la parada
alcance su valor máximo. Operando se llega a:
Donde para la última aproximación hemos supuesto
que el cociente Xo/Io se hace muy pequeño para flujos neutrónicos
típicos.
Llevando el último resultado a la ecuación (*) puede
calcularse el envenenamiento máximo por xenón, correspondiente
a un reactor parado que haya estado funcionando a cualquier nivel
de flujo.
El grado de envenenamiento de un reactor, y
se define como la relación entre el número de neutrones
absorbidos por el veneno y el número de neutrones absorbidos
por el combustible, es decir:
Siendo Sp y
Su las secciones
eficaces macroscópicas de absorción del veneno y
el combustible, respectivamente.
En el caso que estamos considerando, el grado de envenenamiento
por xenón correspondiente al tiempo ts tras
la parada del reactor, vendrá dado por:
Obteniéndose 
por la ecuación (*).
Para flujos del orden de 1013 neutrones/cm2.s,
se encuentra que el aumento del grado de envenenamiento tras la
parada del reactor, es prácticamente despreciable, pero
cuando el reactor ha estado funcionando con flujos más
altos, este aumento va adquiriendo progresivamente mayor importancia.
Así, para un flujo de 2x1014 neutrones/cm2.s,
el envenenamiento máximo - alcanzado al cabo de 11 horas
– es igual a 0,46 frente al valor en equilibrio, cuando
el reactor está funcionando, inferior a 0,05.
Puesto que la disminución de reactividad es aproximadamente
igual al grado de envenenamiento, es evidente que un reactor de
flujo elevado que haya estado parado durante cierto tiempo será
incapaz de ponerse nuevamente en marcha a menos que disponga de
cierta reactividad en exceso en forma de combustible adicional.
El rápido incremento que experimenta el envenenamiento
por xenón con valores máximos muy elevados para
flujos de neutrones térmicos superiores a 2x1014
neutrones/cm2.s hace que el problema de la puesta en
marcha de reactores parados puede llegar a ser francamente difícil.
Por ello se considera hasta ahora que un flujo térmico
medio como el referido constituye un límite práctico
para los reactores de potencia, a menos que pueda idearse un procedimiento
que permita eliminar de modo continuo los precursores del X-235,
principalmente el I-135, durante la operación normal del
reactor.
EJERCICIOS
RESUELTOS - FÍSICA NUCLEAR - FISICA ATÓMICA
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