原子炉のキセノン振動とその制御
原子力を知りたい
キセノン振動ってどういうものですか?
原子力マニア
原子炉出力の空間的な振動で、核分裂生成物のキセノンに起因します。
原子力を知りたい
なぜキセノンが関係するんですか?
原子力マニア
キセノン135は中性子を強く吸収するため、炉の安定運転に障害となります。このキセノンの分布が不均一になると、原子炉出力に空間的な振動が生じます。
キセノン振動とは。
原子力において、「キセノン振動」と呼ばれる現象があります。これは、核分裂時に発生するキセノンという元素が原因で生じる、原子炉の出力に空間的な変動をもたらす現象です。
特にキセノン135（135Xe）は中性子を強く吸収し、炉の安定した運転を妨げます。大型の原子炉では、キセノン135の発生と吸収が場所によって不均一になり、反応度に局部的な変動が生じます。この変動が、原子炉出力の空間的な振動につながります。
振動は、中性子束が高い状態になりやすいときに起こり、周期は約15〜30時間です。発電用の大型原子炉では、炉心設計の工夫と制御棒の操作によって、この空間振動が抑制されています。
キセノン振動とは
原子炉のキセノン振動とは、原子炉の作動時に発生する中性子束の変化を指します。キセノンと呼ばれる元素の同位体であるキセノン135が中性子を吸収すると、キセノン135が半減期2.6分のヨウ素135に変化します。このヨウ素135は強力な中性子吸収体であり、中性子束を減少させます。その結果、原子炉の出力も一時的に低下します。
キセノン135の影響
原子炉のキセノン135の影響は、原子炉の挙動と安全に重大な影響を与えます。キセノン135は、ヨウ素135が崩壊して生成される放射性物質です。原子炉内で、キセノン135は中性子を吸収しやすく、この反応によって安定なキセノン136が生成されます。この中性子吸収反応により、原子炉内の中性子密度が低下し、原子炉の出力低下につながる可能性があります。
空間的な反応度変動
空間的な反応度変動は、原子炉内のキセノン振動に関連する重要な要因です。原子炉の燃料にウラン235が使用されていると、核分裂によって生成される中性子の一部がウラン238を吸収し、キセノン135を生じます。キセノン135は中性子の強力な吸収体であり、原子炉の反応度に負の影響を及ぼします。
キセノン135の濃度は原子炉の運転中に上昇し、発電量を減少させます。しかし、原子炉を停止すると、キセノン135は崩壊してヨウ素135に変化し、中性子吸収能力が低下します。この結果、原子炉を再起動すると、反応度が上昇して発電量が回復します。
炉心内の空間的なキセノン分布は不均一になることが多く、これは炉心に生じる反応度変動に寄与します。例えば、炉心の高温領域ではキセノン135の濃度が低くなる傾向があり、その結果、反応度が上昇します。逆に、炉心の低温領域ではキセノン135の濃度が高くなる傾向があり、反応度が低下します。これらの空間的な反応度変動は、原子炉の安定性に影響を与える可能性があります。
原子炉出力の振動
原子炉のキセノン振動は、核分裂によって生成される放射性核種であるキセノン135が中性子を吸収し、キセノン136に変換されることで発生する。キセノン135は中性子吸収断面積が大きく、原子炉出力を低下させるネガティブ反応度を持ち、一方でキセノン136は中性子吸収断面積が小さく、原子炉出力を上昇させるポジティブ反応度を持つ。
このキセノン振動によって、原子炉出力は出力低下と出力上昇を繰り返す振動現象を示す。キセノン135の濃度は原子炉出力が低いと増加し、出力が上昇すると減少する。これにより、原子炉出力が低下するとキセノン135濃度が上昇してさらに出力が低下し、逆に原子炉出力が上昇するとキセノン135濃度が低下して出力が上昇するという振動が発生する。
振動の制御
振動の制御では、原子炉のキセノン振動を制御する方法について説明します。キセノン振動は、原子炉の制御棒を引き出すことでバランスを崩す可能性があります。そのため、原子炉の安全な運転を確保するために制御することが重要です。
制御方法の一つは、「負の反応度係数」を利用することです。これは、キセノン濃度の上昇が原子炉の反応度を下げることを意味します。反応度を下げると、中性子発生率が低下し、キセノン振動が抑制されます。
もう一つの方法は、「化学シム」を使用することです。これは、キセノンを中和する化学物質を原子炉に注入するものです。化学シムは、キセノンの濃度を低く保ち、振動を制御するのに役立ちます。
これらの制御方法を使用することで、原子炉のキセノン振動を効果的に制御することができます。これにより、原子炉の安全で安定した運転が確保され、電力供給の安定化に貢献します。