Ио́дная я́ма , или ксено́новая я́ма , — состояние ядерного реактора после его выключения либо снижения его мощности, характеризующееся накоплением короткоживущего изотопа ксенона ¹³⁵ Xe ( период полураспада 9,14 часа), образующегося в результате радиоактивного распада изотопа иода ¹³⁵ I (период полураспада 6,57 часа). Этот процесс приводит к временному появлению значительной отрицательной реактивности , что, в свою очередь, делает невозможным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1-2 суток).

Иодная яма — одно из проявлений так называемого , которое является одной из главных сложностей, делающих проблематичной работу АЭС в режиме постоянно меняющейся выходной мощности. Работа реактора при ксеноновом отравлении стала одним из факторов, повлиявших на развитие чернобыльской аварии . Для работы в маневровом режиме в комплексе с АЭС возможно строительство ГАЭС , как, например, на Южно-Украинском энергетическом комплексе .

Причины образования иодной ямы

В процессе деления ядер урана , во время работы ядерного реактора, среди прочих образуется радиоактивный изотоп иода ¹³⁵ I. В результате β-распада с периодом полураспада 6,57 часа он превращается в изотоп ксенона ¹³⁵ Xe. Этот изотоп тоже радиоактивен, но его период полураспада больше — 9,14 часа. ¹³⁵ Xe очень хорошо поглощает нейтроны. Поглощённые им нейтроны, очевидно, не могут участвовать в цепной реакции деления урана, поэтому присутствие ¹³⁵ Xe снижает запас реактивности реактора. В реакторе, работающем на большой мощности, убыль ¹³⁵ Xe определяется его радиоактивным распадом и «выгоранием» в результате захвата нейтронов.

235 U или 239 Pu	→	135 Te	→	135 I	→	135 Xe	→	135 Cs	→	135 Ba
	деление (6,4 %)		β (19,2 с)		β (6,53 ч)		β (9,17 ч)		β (1,3 млн. лет)

или

135 Xe	→	136 Xe
	σ ≈ 3·10 6 барн (для тепловых нейтронов )

После остановки реактора плотность потока нейтронов φ в активной зоне становится практически равной нулю. Изменение концентрации ¹³⁵ Xe в активной зоне остановленного реактора определяется разницей в скоростях β-распада ¹³⁵ I и ¹³⁵ Xe. За 1 с в 1 м³ ядерного топлива возникает λ _I N _I и распадается λ _Xe N _Xe ядер ¹³⁵ Xe. Если активность ¹³⁵ I больше активности ¹³⁵ Xe ( λ _I N _I > λ _Xe N _Xe ), то концентрация ¹³⁵ Xe в активной зоне растёт, и наоборот.

Равновесная концентрация иода-135 N _0I в работающем реакторе пропорциональна величине φ , в то время как равновесная концентрация ксенона-135 N _0Xe мало зависит от неё при φ > 10 ¹⁷ нейтр./(м²·с) . Вследствие этого, при плотности потока φ > 10 ¹⁷ нейтр./(м²·с) величина N _0I становится больше N _0Xe . Так как постоянная распада λ _I > λ _Xe , то в некотором интервале времени после остановки реактора λ _I N _I > λ _Xe N _Xe . Поэтому концентрация ¹³⁵ Xe в остановленном реакторе вначале растёт до тех пор, пока активности ¹³⁵ I и ¹³⁵ Xe не станут равными (то есть до выполнения условия векового равновесия). После этого распад ¹³⁵ I уже не компенсирует убыль ¹³⁵ Xe, и концентрация последнего начинает уменьшаться вместе с иодом.

На рисунке показано изменение концентрации N _Xe ( t ) и реактивности ρ остановленного реактора, если плотность потока φ в работающем реакторе до остановки была равна 10 ¹⁸ нейтр./(м²·с). Максимальное , наступающее через 11 ч после остановки реактора, возрастает с увеличением плотности потока нейтронов φ .

Реактивность остановленного реактора сначала падает, достигая минимума при максимальной концентрации ксенона, а затем увеличивается. Кривая изменения реактивности имеет вид ямы, а увеличение отравления после остановки реактора связано с накоплением ¹³⁵ I в работающем реакторе. Поэтому действие отравления на реактивность остановленного реактора называют иодной ямой . Она не наблюдается в реакторах с плотностью потока нейтронов φ < 10 ¹⁷ нейтр./(м²·с) .

Учёт иодной ямы при проектировании

При проектировании реактора учитывают эффект иодной ямы. Высокие значения удельной мощности требуют дополнительного увеличения загрузки ядерного топлива для компенсации иодной ямы. Иначе выключенный реактор будет невозможно вывести на мощность (особенно в конце кампании ) в течение нескольких десятков часов, пока не произойдёт почти полный распад ¹³⁵ Xe в активной зоне.

Литература

• Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. — М. : Атомиздат , 1960.
• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. — 4-е изд. — М. : Атомиздат , 1979.