Was genau ist eine Xenonvergiftung?
Hallo,
Ich wollte wissen wie so eine Xenonvergiftung in Atomkraftwerken genau zu Stande kommt. Ich weiß dass sie bei Leistungsdrosselung vorkommt, aber warum? Und wie genau entsteht das Xenon?
3 Antworten
Daß der "Xenonberg", der nach einer Leistungsabsenkung entsteht, bei einem Reaktor mit geringer Leistungsdichte (hierfür nannte jemand den Candu oder die Reaktoren vom Tschernobyltyp als Beispiel) ein Problem sein soll und bei einem mit "hoher" Leistungsdichte nicht, ist mir ein Rätsel. Ich habe es nicht geprüft, aber die "Leistungsdichte" dürfte so unterschiedlich nicht sein - Faktor 2 ? ) Und außerdem ist die Leistungsdichte auch bei Reaktoren des gleichen Typs deutlich unterschiedlich. (Ein alter kleiner Candu hat sicher eine niedrigere Leistungsdichte als ein großer neuer - kann man nachprüfen, falls es als wichtig betrachtet wird ) Der ansonsten richtig beschriebene Mechanismus, daß die Xenon 135 Konzentration nach einer Leistungserhöhung "für mehrere Stunden in ein "Tal" wandert (vorrübergehend niedriger wird und durch sein Fehlen die Reaktivität vorübergehend erhöht wird) und daß es bei Leistungserniedrigung umgekehrt ist (daher der Name Xenon-berg) ist richtig beschrieben, hat aber mit der Leistungsdichte im "Prinzip" nichts zu tun. Allerdings ist die Tiefe des Tals und die Höhe des Berges naturgemäß stark leistungsabhängig. Wurde das nicht in einigen Beiträgen evtl. verwechselt mit dem positiven Void-coefficient bei den erstgenannten Reaktoren und dem negativen bei den zweitgenannten. Das war sehr wohl ein Effekt bei dem Unfall in Tschernobyl. Nebenbei. Für jemand der englisch versteht: das Phänomen ist gut beschrieben unter
https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_poison
Bei der Kernspaltung entsteht aus dem spaltbaren U235 bzw. Pu239 unter anderem das Spaltprodukt Iod-135.
Iod-135 zerfällt (ß- Zerfall) mit einer Halbwertszeit von 6,6h zu Xenon-135.
Dieses Xe135 hat einen wesentlich größeren Wirkungsquerschnitt als vergleichbare Isotope und absorbiert daher sehr viele Neutronen (Umwandlung zu Xe136, stabil). Xe135 wird daher auch als "Neutronengift" bezeichnet.
Im laufenden Betrieb entwickelt sich ein Gleichgewicht, da ständig Neutronen produziert werden und der Anteil von Xe135 somit stabil gehalten wird.
Bei Leistungsdrosselung oder Abschaltung des Reaktors reduziert sich der Neutronenfluß, das vorhandene I135 zerfällt aber weiter zu Xe135, das sich jetzt anreichert.
Das ist eine Xenonvergiftung - versucht man, den Reaktor wieder hochzufahren (d.h. Steuerstäbe entfernen), absorbiert das Xe135 so viele Neutronen, daß keine Kettenreaktion mehr in Gang kommt. Man muss also 2-3 Tage warten, bis das Xe135 zerfallen ist.
Im schlimmsten Fall (s. Tschernobyl) beginnt das Wasser im Reaktor zu kochen, durch den positiven Dampfblasenkoeffizienten bei diesem Reaktortyp steigt die Anzahl der Kernspaltungen rapide an, das Xe135 wird schlagartig abgebaut und der Reaktor prompt überkritisch.
Die Erklärung ist gut, jedoch nicht ganz vollständig richtig: Die Xenonvergiftung bleibt nicht Tage bestehen, sondern spielt zirka 12 Stunden nach negativer Änderung der Reaktorleistung eine Rolle. Danach ist die Vergiftung abgebaut und etwa wieder im Einklang mit der Kettenreaktion.
Was fehlt ist, dass sich eine Xenonvergiftung nur wirklich stark in Reaktoren mir geringer Leistungsdichte auswirkt, wie eben im RBMK, der auch in Tschernobyl eingesetzt wurde, dazu gehören aber auch anderen Reaktoren wie der CANDU oder Hochtemperaturreaktoren. In den herkömmlichen Druck- und Siedewasserreaktoren wirkt sich eine Xenonvergiftung hingegen nicht bis kaum aus. Das liegt daran, dass der Kern viel dichter gepackt ist, sodass der Verlust an Neutronen minimiert werden kann und daher die Leistung stabil bleibt.
Xenon bewirkt kein Sieden im Reaktor, Xenon ist ein Spaltgas das sich ansonsten nicht auswirkt. In Tschernobyl spielte Xenon nur eine untergeordnete Rolle. Durch Absinken der Leistung aufgrund des Umschalten von der lokalen auf die globale Leistungsregelung, fuhr das System den Reaktor automatisch ab. Da man aber ja den Auslaufversuch am Turbosatz durchführen wollte, versuchte man den Reaktor trotz der Xenonvergiftung wieder anzufahren durch Reduzierung der Steuerstäbe im Reaktor. Das gelang auch. Bis in den Versuch hinein fuhr der Reaktor relativ stabil. Um den Test abzuschließen sollte der Reaktor per "Schnellabschaltung" (Die dauert beim RBMK immerhin bis zu 20 Sekunden, viel zu lange) gestoppt werden. Durch den Konstruktionsfehler, man kann es keinen Fehler nennen da die Graphitverdränger vor den Steuerstäbe nötig sind, da die wassergefüllten Kanäle ansonsten die Neutronen zu stark absorbieren würden, stieg dabei jedoch die Leistung im unteren Bereich des Reaktors, da die Restwassersäule im Kanal verdrängt wurde. Dies führte dazu, dass der Reaktor in das schnelle Neutronenspektrum wechselte und mit unverzögerten Neutronen arbeitete. Daran hat weder die Xenonvergiftung, noch etwaige andere Phänomene, die dabei auftraten, eine Schuld, sondern lediglich die Tatsache, dass sich durch die Konstruktion der Steuerstäbe in einer bestimmten (eigentlich unzulässigen) Betriebssituation anders auswirkte als erwartet. 9 Sekunden nach der Schnellabschaltung (eigentlich so nicht nötig gewesen aber Teil des Testprogramms)war der gesamte Block zerstört.
Bei der Kernspaltung entstehen nunmal Spaltprodukte, dazu gehört auch Xenon. Da dies ein "Neutronengift" ist, kann man erst nach ein paar Tagen wieder volllast fahren.
Aber warum kommt eine Xenonvergiftung dann nur bei einer Leistungsdrosselung vor?
Während der Kernspaltung im stabilen Zustand, entsteht Iod 135. Es kommt grundsätzlich vor und zerfällt nach 6,57 Stunden in Xenon 135. Das ist das Problemisotop, das erst nach 9,14 Stunden wieder zerfällt, nämlich Cäsium 135. Dieses Produkt wirkt sich nicht auf den Reaktor aus.
Wird die Leistung nun gesenkt, ist immer noch von der höheren Leistung mehr Iod 125 übrig, das stetig zerfällt, sodass ein Überschuss an Xenon nach dem Zerfall 6,57 Stunden lang entsteht. Nach 6,57 Stunden nach der Leistungssenkung hat man die Spitze des Zerfalls erreicht und damit aus der vorherigen Betriebszeit, in der mehr Iod 135 Produziert wurde, den größten Anteil an Xenon 135 - und damit den größten Einfluss auf die Reaktorleistung. Innerhalb der folgenden 9,14 Stunden, die das Xenon 135 benötigt um zu zerfallen, sinkt der Einfluss auf die Reaktorleistung, da es sich langsam abbaut und wieder auf den aktuell herrschenden Leistungspegel anpasst und ausgleicht.
Im Prinzip ist das die ganze Xenonvergiftung. Allerdings wirkt sich diese wirklich nur aus, wenn die Reaktoren eine geringe Leistungsdichte haben. Reaktoren mit einer großen Leistungsdichte können Xenon sehr stark kompensieren, sodass diese Anlagen sehr schnell regelbar bleiben.
Naja, so ganz genau jenen ich mich jetzt auch nicht aus, ich hätte jetzt eher gesagt dass man die Leistung aufgrund des Xenon drosseln muss... es kann aber auch sein, dass das Xenon erst entsteht wenn man einen hohen Anteil an Borsäure im HKM hat oder die steuerstäbe eingefahren sind.