Racun neutron

Dalam aplikasi seperti reaktor nuklir, sebuah racun neutron (juga disebut sebuah pengisap neutron atau racun nuklir) adalah sebuah zat dengan sebuah penampang pengisapan neutron besar. Dalam aplikasi tersebut, menyerap neutron biasanya merupakan efek yang tidak diinginkan. Namun, bahan penyerap neutron, juga disebut racun, sengaja dimasukkan ke dalam beberapa jenis reaktor untuk menurunkan reaktivitas tinggi dari beban bahan bakar segar awalnya. Beberapa dari racun ini habis karena menyerap neutron selama operasi reaktor, sementara yang lain relatif konstan.^[1]^[2]

Penangkapan neutron oleh produk fisi paruh pendek dikenal sebagai keracunan reaktor ; Penangkapan neutron oleh produk fisi yang berumur panjang atau stabil disebut slagging reaktor.

Racun produk fisi transien sementara

Beberapa produk fisi yang dihasilkan selama reaksi nuklir memiliki kapasitas penyerapan neutron yang tinggi, seperti xenon-135 (penampang mikroskopis σ = 2.000.000 lumbung (b); hingga 3 juta lumbung dalam kondisi reaktor) dan samarium-149 (σ = 74.500 b). Karena kedua racun produk fisi ini menghilangkan neutron dari reaktor, mereka akan mempengaruhi faktor pemanfaatan termal dan dengan demikian reaktivitasnya. Keracunan inti reaktor oleh produk fisi ini dapat menjadi sangat serius sehingga reaksi berantai terhenti.^[3]

Xenon-135 khususnya sangat mempengaruhi pengoperasian reaktor nuklir karena merupakan racun neutron paling kuat yang diketahui. Ketidakmampuan reaktor untuk dihidupkan kembali karena penumpukan xenon-135 (mencapai maksimum setelah sekitar 10 jam) kadang-kadang disebut sebagai start-up yang dicegah xenon. Periode waktu di mana reaktor tidak dapat mengesampingkan efek xenon-135 disebut waktu mati xenon atau pemadaman racun. Selama periode operasi keadaan tunak, pada tingkat fluks neutron konstan, konsentrasi xenon-135 terbentuk hingga kesetimbangannya nilai daya reaktor tersebut dalam waktu sekitar 40 hingga 50 jam. Ketika daya reaktor dinaikkan, konsentrasi xenon-135 awalnya menurun karena pembakaran meningkat pada tingkat daya baru yang lebih tinggi. Dengan demikian, dinamika keracunan xenon penting untuk stabilitas pola fluks dan distribusi daya geometris, terutama dalam reaktor besar secara fisik.

Karena 95% produksi xenon-135 berasal dari peluruhan yodium-135, yang memiliki waktu paruh 6 hingga 7 jam, produksi xenon-135 tetap konstan; pada titik ini, konsentrasi xenon-135 mencapai minimum. Konsentrasi kemudian meningkat ke kesetimbangan untuk tingkat daya baru dalam waktu yang sama, kira-kira 40 sampai 50 jam. Besarnya dan laju perubahan konsentrasi selama periode 4 sampai 6 jam awal setelah perubahan daya tergantung pada tingkat daya awal dan jumlah perubahan tingkat daya; perubahan konsentrasi xenon-135 lebih besar untuk perubahan tingkat daya yang lebih besar. Ketika daya reaktor berkurang, prosesnya dibalik.

Karena samarium-149 tidak bersifat radioaktif dan tidak hilang karena peluruhan, ia menimbulkan masalah yang agak berbeda dari yang dihadapi dengan xenon-135. Konsentrasi kesetimbangan (dan dengan demikian efek keracunan) terbentuk pada nilai kesetimbangan selama operasi reaktor dalam waktu sekitar 500 jam (sekitar tiga minggu), dan karena samarium-149 stabil, konsentrasi pada dasarnya tetap konstan selama operasi reaktor. Isotop bermasalah lainnya yang menumpuk adalah gadolinium-157, dengan penampang mikroskopis σ = 200.000 b.

Akumulasi racun produk fisi

Ada banyak produk fisi lain yang, sebagai akibat dari konsentrasi dan penampang lintang serapan neutron termalnya, memiliki efek meracuni operasi reaktor. Secara individual, mereka memiliki konsekuensi kecil, tetapi secara bersama-sama mereka memiliki efek yang signifikan. Ini sering ditandai sebagai racun produk fisi yang terkumpul dan terakumulasi pada tingkat rata-rata 50 lumbung per peristiwa fisi dalam reaktor. Penumpukan racun produk fisi dalam bahan bakar akhirnya menyebabkan hilangnya efisiensi, dan dalam beberapa kasus menyebabkan ketidakstabilan. Dalam praktiknya, penumpukan racun reaktor dalam bahan bakar nuklir adalah yang menentukan masa pakai bahan bakar nuklir dalam reaktor: jauh sebelum semua kemungkinan fisi terjadi, penumpukan produk fisi penyerap neutron yang berumur panjang meredam reaksi berantai. Ini adalah alasan bahwa pemrosesan ulang nuklir adalah kegiatan yang berguna: bahan bakar nuklir bekas padat mengandung sekitar 97% bahan fisi asli yang ada dalam bahan bakar nuklir yang baru diproduksi. Pemisahan kimia dari produk fisi mengembalikan bahan bakar sehingga dapat digunakan kembali.^[4]^[5]^[6]^[7]

Pendekatan potensial lainnya untuk menghilangkan produk fisi termasuk bahan bakar padat tetapi berpori yang memungkinkan keluarnya produk fisi dan bahan bakar cair atau gas (reaktor garam cair, reaktor homogen berair). Hal ini memudahkan masalah akumulasi produk fisi dalam bahan bakar, tetapi menimbulkan masalah tambahan untuk memindahkan dan menyimpan produk fisi dengan aman. Beberapa produk fisi sendiri stabil atau cepat meluruh menjadi nuklida stabil. Dari (masing-masing kira-kira setengah lusin) produk fisi berumur menengah dan berumur panjang, beberapa, seperti 99 Tc, diusulkan untuk transmutasi nuklir justru karena penampang tangkapannya yang tidak dapat diabaikan.

Produk fisi lainnya dengan penampang serapan relatif tinggi antara lain 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm. Di atas massa ini, bahkan banyak isotop bermassa genap memiliki penampang lintang serapan yang besar, memungkinkan satu nukleus untuk secara berurutan menyerap banyak neutron. Fisi aktinida yang lebih berat menghasilkan lebih banyak produk fisi yang lebih berat di kisaran lantanida, sehingga total penampang penyerapan neutron dari produk fisi lebih tinggi.

Dalam reaktor cepat situasi racun produk fisi mungkin berbeda secara signifikan karena penampang lintang penyerapan neutron dapat berbeda untuk neutron termal dan neutron cepat. Dalam Reaktor Cepat Berpendingin Timbal-Bismuth RBEC-M, produk fisi dengan tangkapan neutron lebih dari 5% dari total tangkapan produk fisi, berurutan, 133 Cs, 101 Ru, 103 Rh, 99 Tc, 105 Pd dan 107 Pd di inti, dengan 149 Sm menggantikan 107 Pd untuk tempat ke-6 dalam selimut penangkaran.

Racun peluruhan

Selain racun produk fisi, bahan lain dalam reaktor meluruh menjadi bahan yang bertindak sebagai racun neutron. Contohnya adalah peluruhan Tritium menjadi Helium-3. Karena Tritium memiliki waktu paruh 12,3 tahun, biasanya peluruhan ini tidak mempengaruhi operasi reaktor secara signifikan karena laju peluruhan Tritium sangat lambat. Namun, jika Tritium diproduksi di dalam reaktor dan kemudian dibiarkan tetap berada di dalam reaktor selama penghentian yang berkepanjangan selama beberapa bulan, jumlah tritium yang cukup dapat meluruh menjadi helium-3 untuk menambah reaktivitas negatif dalam jumlah yang signifikan. Setiap Helium-3 yang dihasilkan dalam reaktor selama periode penghentian akan dihilangkan selama operasi selanjutnya oleh reaksi neutron-proton. Reaktor Air Berat Bertekanan akan menghasilkan Tritium dalam jumlah kecil tetapi penting melalui penangkapan neutron dalam moderator air berat, yang juga akan meluruh menjadi Helium-3. Mengingat tingginya nilai pasar Tritium dan Helium-3, Tritium secara berkala dikeluarkan dari moderator/pendingin beberapa reaktor CANDU dan dijual dengan keuntungan. Borasi air (penambahan asam borat ke moderator/pendingin) yang biasanya digunakan dalam reaktor air ringan bertekanan juga menghasilkan Tritium dalam jumlah yang tidak dapat diabaikan melalui reaksi yang berurutan 105B(n, α)73Li dan 73Li(n,α n)31T atau (di hadapan neutron cepat) 73Li(n,2n)63Li dan seterusnya 63Li(n,α)31T. Neutron cepat juga menghasilkan Tritium langsung dari boron via 105B(n,2α)31T. Semua reaktor fisi nuklir menghasilkan Tritium dalam jumlah tertentu melalui fisi terner.^[8]^[9]^[10]

Kontrol racun

Selama operasi suatu reaktor jumlah bahan bakar yang terkandung dalam inti berkurang secara monoton. Jika reaktor akan beroperasi untuk jangka waktu yang lama, bahan bakar yang melebihi yang dibutuhkan untuk kekritisan yang tepat harus ditambahkan saat reaktor diisi bahan bakar. Reaktivitas positif akibat kelebihan bahan bakar harus diimbangi dengan reaktivitas negatif dari bahan penyerap neutron. Batang kendali bergerak yang mengandung bahan penyerap neutron adalah salah satu metode, tetapi batang kendali saja untuk menyeimbangkan reaktivitas berlebih mungkin tidak praktis untuk desain inti tertentu karena mungkin tidak cukup ruang untuk batang atau mekanismenya, yaitu di kapal selam, di mana ruang sangat terbatas. dengan harga premium.

Racun yang bisa dibakar

Untuk mengontrol reaktivitas bahan bakar berlebih dalam jumlah besar tanpa batang kendali, racun yang dapat dibakar dimasukkan ke dalam teras. Racun yang dapat terbakar adalah bahan yang memiliki penampang serapan neutron tinggi yang diubah menjadi bahan dengan penampang serapan relatif rendah sebagai hasil dari penyerapan neutron. Karena bahan racun yang terbakar, reaktivitas negatif dari racun yang dapat dibakar berkurang selama masa hidup inti. Idealnya, racun ini harus menurunkan reaktivitas negatifnya pada tingkat yang sama dengan berkurangnya reaktivitas positif bahan bakar. Racun tetap yang mudah terbakar umumnya digunakan dalam bentuk senyawa boronatau gadoliniumyang dibentuk menjadi pin atau pelat kisi terpisah, atau dimasukkan sebagai aditif bahan bakar. Karena mereka biasanya dapat didistribusikan secara lebih seragam daripada batang kendali, racun ini tidak terlalu mengganggu distribusi daya inti. Racun tetap yang dapat terbakar juga dapat dimuat secara terpisah di lokasi tertentu di teras untuk membentuk atau mengontrol profil fluks untuk mencegah fluks dan daya yang berlebihan memuncak di dekat daerah tertentu dari reaktor. Namun praktik saat ini adalah menggunakan racun tetap yang tidak dapat dibakar dalam layanan ini.

Racun yang tidak bisa dibakar

Racun yang tidak dapat dibakar adalah racun yang mempertahankan nilai reaktivitas negatif konstan selama umur inti. Meskipun tidak ada racun neutron yang benar-benar tidak dapat terbakar, bahan tertentu dapat diperlakukan sebagai racun yang tidak dapat terbakar dalam kondisi tertentu. Salah satu contohnya adalah hafnium . Ini memiliki lima isotop stabil ,176 HF melalui180 HF , yang semuanya dapat menyerap neutron, sehingga empat yang pertama secara kimiawi tidak berubah dengan menyerap neutron. (Sebuah penyerapan akhir menghasilkan181 HF , yang menjadi peluruhan beta181 Ta .) Rantai penyerapan ini menghasilkan racun yang dapat terbakar berumur panjang yang mendekati karakteristik yang tidak dapat terbakar. [15]

Racun yang larut

Racun terlarut, juga disebut shim kimia, menghasilkan penyerapan neutron yang seragam secara spasial ketika dilarutkan dalam pendingin air. Racun terlarut yang paling umum dalam reaktor air bertekanan komersial (PWR) adalah asam borat, yang sering disebut sebagai boron terlarut. Asam borat dalam pendingin menurunkan faktor pemanfaatan termal, menyebabkan penurunan reaktivitas. Dengan memvariasikan konsentrasi asam borat dalam pendingin, sebuah proses yang disebut sebagai borasi dan pengenceran, reaktivitas teras dapat dengan mudah divariasikan. Jika konsentrasi boron meningkat (borasi), pendingin/moderator menyerap lebih banyak neutron, menambah reaktivitas negatif. Jika konsentrasi boron berkurang (pengenceran), reaktivitas positif ditambahkan. Perubahan konsentrasi boron dalam PWR adalah proses yang lambat dan digunakan terutama untuk mengkompensasi kejenuhan bahan bakar atau penumpukan racun. Variasi dalam konsentrasi boron memungkinkan penggunaan batang kendali diminimalkan, yang menghasilkan profil fluks yang lebih datar di atas inti daripada yang dihasilkan oleh penyisipan batang. Profil fluks yang lebih rata terjadi karena tidak ada daerah fluks yang tertekan seperti yang akan dihasilkan di sekitar batang kendali yang dimasukkan. Sistem ini tidak digunakan secara luas karena bahan kimia membuat koefisien reaktivitas suhu moderator kurang negatif. Semua jenis PWR komersial yang beroperasi di AS (Westinghouse, Combustion Engineering, dan Babcock & Wilcox) menggunakan boron terlarut untuk mengontrol reaktivitas berlebih. Reaktor Angkatan Laut AS dan Reaktor Air Mendidih tidak.

Racun terlarut juga digunakan dalam sistem pemadaman darurat. Selama SCRAM, operator dapat menyuntikkan larutan yang mengandung racun neutron langsung ke pendingin reaktor. Berbagai larutan encer, termasuk boraks dan gadolinium nitrat (Gd(NO 3 ) 3 · x H 2 O), digunakan.