Zatrucie ksenonowe (jama jodowa) – zmniejszenie reaktywności, a nawet dezaktywacja, reaktora jądrowego w wyniku gromadzenia się w rdzeniu reaktora izotopu ksenonu-135, który silnie pochłania neutrony. Zmiany w ilości ksenonu-135 w reaktorze są także głównym powodem oscylacji mocy reaktora, które występują po zmianie położenia prętów kontrolnych lub w wyniku innych czynników wpływających na reaktywność reaktora.
Szczególnym przypadkiem zatrucia ksenonowego reaktora jest tak zwana jama jodowa, która jest stanem znacznego i tymczasowego zmniejszenia reaktywności reaktora, prowadzącym nawet do jego zablokowania i uniemożliwienia uruchomienia, następującym po jego wyłączeniu lub znacznym zmniejszeniu mocy.
Gromadzenie się krótkotrwałych produktów rozszczepienia działających jako trucizna jądrowa nazywane jest „jamą jodową”, „zatruciem reaktora” lub „zatruciem ksenonem”. Nagromadzenie stabilnych lub długożyjących izotopów pochłaniających neutrony nazywa się „żużlowaniem reaktora”.
Próba utrzymania reaktywności zatrutego ksenonem reaktora była jednym z ważniejszych bezpośrednich czynników, które doprowadziły do katastrofy w Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej.
Powstawanie ksenonu-135 135Xe powstaje w produktach rozszczepienia w wyniku: rozpadu beta minus jodu-135 (135I), jako bezpośredni produkt rozszczepienia.
135I powstaje przez rozpad beta telluru-135 i jest bezpośrednim produktem rozszczepienia. Czas połowicznego rozpadu telluru jest równy 19,2 s. Czas ten jest znacznie krótszy od czasu rozpadu jodu, dlatego można pominąć przemianę telluru w jod i przyjąć, że cały jod-135 powstaje bezpośrednio w wyniku rozszczepienia. W produktach rozszczepienia neutronami termicznymi uranu-235, tellur stanowi 3,3%, jod – 3,1%, a ksenon – 0,25%. Łącznie ksenon-135 stanowi około 6,6% liczby powstających nuklidów, a powstający z rozpadu jodu stanowi 6,4%. Ksenon-135 powstający bezpośrednio z rozszczepień to około 0,2% powstających nuklidów, albo 4% (0,25/6,65 · 100% = 3,8%) całego ksenonu-135.
135I jest słabym absorberem neutronów, przez co w reaktorze ulega jedynie rozpadowi do 135Xe. Skutkiem tego gromadzi się w reaktorze w tempie proporcjonalnym do liczby rozszczepień, która jest proporcjonalna do mocy cieplnej reaktora, a ubywa go proporcjonalnie do zgromadzonej ilości, z czasem połowicznego zaniku 6,6 godziny. Rozpadający jod zmienia się w 135Xe, dlatego przyrost ilości 135Xe jest równy ubytkowi 135I, a ten, zgodnie z prawem rozpadu promieniotwórczego, jest proporcjonalny do ilości jodu.
Zanikanie ksenonu-135 135Xe w wyniku rozpadu beta z czasem połowicznego rozpadu 9,2 h zmienia się w cez-135. Poddawany strumieniowi neutronów może również przez wychwycenie neutronu zmienić się w 136Xe. Względna proporcja tych dwóch sposobów zużycia 135Xe zależy od natężenia strumienia neutronów (a zatem od mocy roboczej i typu reaktora): im większy strumień neutronów, tym więcej ksenonu-135 zmieni się w ksenon-136, a pozostanie mniej ksenonu-135, który mógłby w wyniku rozpadu radioaktywnego zmieniać się w cez-135. Im większy strumień neutronów, tym zanik ksenonu w reaktorze będzie szybszy.
Jądra uzyskiwane z tych przemian (136Xe i 135Cs) są zasadniczo stabilne135Cs jest słabo radioaktywny, o okresie połowicznego rozpadu 2,6 miliona lat, co nie ma wpływu na działanie reaktora jądrowego, ale stwarza problemy przy przetwarzaniu zużytego paliwa. i mają pomijalny przekrój czynny na wychwyt neutronów, dlatego nie mają wpływu na reakcje rozszczepienia w reaktorze.
Przekrój czynny na wychwyt neutronu przez 135Xe, jest równy σ = 2,65 10−18 cm2. Dla strumienia neutronów mniejszego niż 1 × 1012 cm−2s−1 (wartość typowa dla reaktorów napromieniowywania) wychwyt neutronów przez ksenon nie odgrywa żadnej roli. Dla 1 × 1014 cm−2s−1 (wartość typowa dla lekkowodnych reaktorów energetycznych) utrata reaktywności przez reaktor wynosi 4%. Działając w tych warunkach, prawie wszystkie 135Xe zanikają przez wychwyt neutronów. Jeśli strumień neutronów jest dziesięć razy mniej intensywny (jak w reaktorze CANDU przy pełnej mocy), utrata reaktywności jest około 2%, a stosunek 136Xe/135Cs będzie bliski 50%.
Dynamika ksenonu-135 W reaktorze jądrowym w stanie stabilnym ilość wytworzonego ksenonu (zwłaszcza przez rozpad jodu-135) jest równa ilości zanikającego ksenonu (przez wychwycenie neutronów lub rozpad). Poziom równowagi zależy od natężenia strumienia neutronów i jest bardzo wrażliwy na jego zmiany, a zatem na zmiany mocy reaktora.
Chwilowy poziom ksenonu zależy nie tylko od bieżącego stanu reaktora, ale także od jego stanu w ciągu ostatnich kilkudziesięciu godzin. Dynamikę ksenonu w reaktorze regulują następujące cechy szczególne: 135Xe ma największy, spośród wszystkich jąder atomowych, przekrój czynny na pochłanianie neutronów termicznych. Pochłanianie neutronów termicznych prowadzi do znacznego zmniejszenia współczynnika powielania neutronów reaktora: w przypadku dużego natężenia strumienia neutronów, gdyby wszystkie nukleony 135Xe wychwytywały neutron, w stanie równowagi 6,6% neutronów byłoby pochłoniętych przez ksenon. W pracującym reaktorze ubytek ksenonu zależy w znacznym stopniu od strumienia neutronów i związek ten ma charakter dodatniego sprzężenia zwrotnego. Wzrost strumienia neutronów zwiększy ubytek ksenonu, a to zmniejszy pochłanianie neutronów, czyli jego wzrost. Przyrost ilości ksenonu, zarówno w pracującym, jak i wyłączonym reaktorze, zależy od ilości odłożonego jodu, czyli wcześniejszej pracy reaktora, a nie od bieżącej mocy reaktora. Jod-135, główne źródło ksenonu-135, ma okres półtrwania 6,58 h, znacznie krótszy niż ksenon-135 – 9,17 h. Dlatego, gdy reaktor zatrzymuje się, zanik ksenonu jest wywołany wyłącznie jego rozpadem, ilość ksenonu będzie rosła, dopiero wyczerpanie się jodu spowoduje zmniejszanie przyrostu ksenonu i po osiągnięciu szczytowego stężenia ksenonu, nastąpi jego spadek.
Wpływ ksenonu na kontrolę reaktora Zadławienie przy starcie Przy pierwszym uruchomieniu reaktora albo po przerwie trwającej co najmniej kilka dni, w reaktorze jądrowym nie ma jodu-135 ani ksenonu-135. W reaktorze takim stężenie jodu będzie rosło, ale stężenie ksenonu będzie znacząco rosło dopiero po nagromadzaniu się jodu w rdzeniu. Stan równowagi osiągany jest po jednym lub dwóch dniach. Dlatego też, po początkowym rozbiegu, reaktor stopniowo traci swoją reaktywność, co musi być skompensowane przez obsługę reaktora (podniesienie prętów kontrolnych albo zmniejszenie stężenia kwasu borowego w chłodziwie), w przeciwnym razie reaktor będzie zmniejszał moc, a nawet może zatrzymać się. Zapas reaktywności na zatrucie ksenonem musi być uwzględniony przy projektowaniu reaktora. Zwykle reaktor po uruchomieniu jest doprowadzany do pełnej mocy w szeregu etapów o coraz większej mocy (np. 40%, 60%...). Dochodzenie do kolejnego etapu odbywa się w czasie kilkudziesięciu minut. Po zmianie ustawień reaktor szybko reaguje (kilka sekund) zmianą reaktywności na zmiany temperatury, ale z opóźnieniem na zatrucie. Po osiągnięciu określonej mocy reaktywność reaktora jest korygowana, by utrzymać określoną moc, w tym czasie przeprowadzane są kontrole w celu ustalenia, czy urządzania działają prawidłowo, oraz określenie wpływu ustawień na reaktywność reaktora.
Niestabilności po zmianie mocy W reaktorze działającym ze stałą mocą przez dłuższy czas stężenie ksenonu osiąga poziom równowagi. Jeśli wzrośnie zapotrzebowanie na moc reaktora, trzeba zwiększyć strumień neutronów. Zwiększenie strumienia neutronów zwiększy „wypalanie” ksenonu, w konsekwencji reaktywność reaktora będzie wzrastała. Będzie wzrastało także wytwarzanie jodu, po pewnym czasie (kilkadziesiąt minut) stężenie jodu osiągnie taki poziom, że wytwarzanie ksenonu przeważy jego rozkład. Reaktywność reaktora będzie zmniejszała się, reaktor osiągnie nowy punkt równowagi po kilku dniach. Stężenie ksenonu po zmianie mocy reaktora ma zatem paradoksalną dynamikę: zwiększenie mocy powoduje dalszy wzrost mocy przez blisko godzinę, następnie moc maleje przez kilka dni.
Po zmniejszeniu mocy reaktora zachodzą podobne, ale w odwrotną stronę zmiany. Po zmniejszeniu mocy zmniejsza się ona nadal bez zmiany ustawień przez około godzinę, by później rosnąć przez kilka dni. Jeśli reaktor nie ma wystarczającej rezerwy reaktywności, akumulacja ksenonu może uniemożliwić stabilizację reaktora przy małej mocy, tak zwane duszenie rektora ksenonem może nawet spowodować wyłączenie reaktora.
By zapobiec wahaniom mocy reaktora po zmianie jego mocy, obsługa musi odpowiednio reagować. Gdy moc reaktora musi być zwiększona, najpierw podnosi się pręty sterujące, aby zwiększyć moc. Następnie co kilka minut przez ponad godzinę pręty się obniża, tak by skompensować zużycie ksenonu, a następnie powoli podnosi się pręty niemal do początkowego poziomu, w celu skompensowania większej ilości ksenonu. Te zmiany reaktywności są na tyle powolne, że nie stanową problemu w sterowaniu reaktorem, pod warunkiem, że rezerwy reaktywności są wystarczające, aby trwale utrzymać reaktor w zakresie roboczym, w którym można go kontrolować. Niedobór zapasu reaktywności może nałożyć ograniczenia na szybkość zmian mocy reaktora.
Wyłączenie reaktora – szczyt ksenonowy thumb|Koncentracja 135Xe oraz reaktywność reaktora przy wyłączaniu reaktora. Po zatrzymaniu reaktora zatrzymuje się również wytwarzanie jodu-135 oraz „spalanie” ksenonu-135 przez neutrony. Zgromadzony jod-135, zwany zbiornikiem jodu zmienia się w 135Xe (z okresem półtrwania 6,7 h), ksenon-135 zanika z czasem zaniku 9,2 h. Efektem tego, początkowo po wyłączeniu lub znacznym zmniejszeniu mocy reaktora, w reaktorze przybywa ksenonu, aż zmniejszy się jego źródło, czyli ilość jodu-135, a rozkład ksenonu-135 zrównoważy jego powstawanie. Zawartość ksenonu przechodzi przez maksimum około dziesięciu godzin po wyłączeniu, a następnie wolno spada do zera.
Ten przejściowy wzrost zawartości ksenonu będzie odpowiadał bardzo znacznej utracie reaktywności reaktora, która może posunąć się tak daleko, że uniemożliwia ponowne uruchomienie reaktora przez kilkanaście godzin. Sytuacja taka może wystąpić, gdy rezerwy reaktywności są niewystarczające (na przykład na końcu życia reaktora). Zjawisko to jest znane jako jama jodowa.
Wychodzenie z jamy jodowej Silnie zatruty ksenonem reaktor można wyciągnąć z jamy jodowej przed naturalnym rozpadem ksenonu, ale potrzebny jest do tego zapas reaktywności reaktora, tak by doprowadzić go do stanu krytycznego. Wzrost strumienia neutronów przyspieszy „wypalanie” ksenonu. Ubytek ksenonu powoduje znaczący i szybki wzrost reaktywności reaktora, zatem zwiększanie reaktywności reaktora w czasie wychodzenia z dziury musi być ostrożne, układ regulacyjny odpowiednio szybki, tak by przyrost reaktywności w wyniku wypalenia ksenonu mógł być skompensowany przez pręty sterujące, w przeciwnym razie reaktor może osiągnąć niebezpieczną moc.
Katastrofa w Czarnobylu 26 kwietnia 1986 r. w reaktorze 4 w Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej przed planowym wyłączeniem reaktora zaplanowano eksperyment w układzie zasilania elektrycznego pomp. Działania rozpoczęły się od planowanego zmniejszania mocy reaktora, gdy reaktor osiągnął połowę mocy znamionowej, na polecenie zewnętrzne opóźniono eksperyment, pozostawiając reaktor działający z połową mocy na około 10 godzin. Gdy rozpoczęto dalsze zmniejszanie mocy, reaktor niemal wyłączył się, by temu przeciwdziałać, operatorzy podnieśli niemal wszystkie pręty kontrolne (poza dozwolony limit). Co spowodowało, że reaktor wszedł w niestabilny zakres działania. Wrzenie wody oraz opuszczenie wadliwie skonstruowanych prętów kontrolnych, zamiast zatrzymać reakcję rozszczepienia – przyspieszyło ją. Szybkość reakcji zwiększał ubytek wypalanego ksenonu. Reaktor przegrzał się i uległ stopieniu, prowadząc do wybuchu wodoru powstałego z reakcji wody z grafitem.
Oscylacje ksenonowe