碘坑

反应堆停堆后，中子通量密度可近似认为降为零，裂变对Xe-135的产生率也近似为零，但堆内存在的I-135继续衰变成Xe-135，Xe-135不再由吸收中子而消失，只能通过β-衰变而消失，同时由于Xe-135的半衰期大于I-135的半衰期，停堆后一段时间内Xe-135浓度增加，堆内无新的I-135产生，所以其浓度下降，而Xe-135浓度达到一个极值时减少，剩余反应性与Xe-135浓度变化相反，先减少后变大，这一现象叫碘坑。

碘坑在反应堆经过长时间（例如5—6天以上）功率运行后降功率或停堆时，由于堆内积累了足够多的碘-135，使氙的产生率大于氙的消失率，困而氙浓度在降功率或停堆后的一段时间内继续增加并使反应性继续减小。随着碘浓度的降低和氙浓度的增加，氙的产生率与氙的消失率逐渐达到平衡，此时氙浓度达到最大值，所引起的反应性损失也达到最大值。经过此最大值后，氙的产生率小于氙的消失率，氙的浓度下降，随之反应性回升（见下图）1。

这种由于降功率或停堆后氙浓度变化引起的反应性在开始时下降，当达到最低值（反应性损失最大）时又回升的现象称为碘坑。

碘坑现象对于反应堆运行有重要的影响，特别是对于剩余反应性较小的反应堆，如果剩余反应性小于碘坑相应的最大反应性损失，则在出现碘坑的相当长一段时间内（一般可达20h以上）反应堆无法启动，必须等氙浓度降低，反应性回升到某一水平后才能启动。

影响由于氙-135具有很大吸收截面和短的半衰期，因而在反应堆起动后，将很快趋近饱和，而停堆后又将很快地衰变，而这将给反应堆的运行带来许多问题2。

类型氙中毒可以分为反应堆在启动时氙中毒、停堆以及功率变化时氙中毒。

（1）反应堆启动时氙中毒

对一个新的堆芯，碘-135 和氙-135 的初始浓度都等于零。若反应堆在t=0时刻开始启动，并且很快就达到了满功率，那么，就可以近似地认为在t=0 时刻中子通量密度瞬时得达到了额定值，并且一直保持不变。

反应堆启动后，碘-135 和氙-135 的浓度都随着运行时间的增加而增加。当反应时间足够长时，碘-135 和氙-135都达到了平衡（或饱和）浓度。即碘-135 和氙-135 核的产生率正好等于其消失率，因而它们的浓度将保持不变。

反应堆在稳定功率状态下，正如所预期那样，运行很短时间约40 小时之后，碘-135 和氙-135的浓度已经很接近它们平衡浓度了。

到了额定值，并且一直保持不变。

反应堆启动后，碘-135 和氙-135 的浓度都随着运行时间的增加而增加。当反应时间足够长时，碘-135 和氙-135都达到了平衡（或饱和）浓度。即碘-135 和氙-135 核的产生率正好等于其消失率，因而它们的浓度将保持不变。

反应堆在稳定功率状态下，正如所预期那样，运行很短时间约40 小时之后，碘-135 和氙-135的浓度已经很接近它们平衡浓度了。

（2）停堆后氙中毒

1、过程

在反应堆运行时，氙-135 的产生有两条途径，即由燃料核裂变直接产生氙-135 和由碘-135 的β-衰变而生成氙-135。前者与反应堆的中子通量密度值有关。由于氙-135 的裂变产额比较小，而且只要反应堆运行2 日以后，碘-135 以达饱和浓度，这时氙-135 主要是由碘-135 衰变产生的。氙-135的消失也有两条途径，即由于氙-135 吸收中子和氙-135 的β- 衰变而消失。

前者也与反应堆的中子通量密度有关。当反应堆中平均热中子通量密度值为0.756×1017中子/米2·秒的时候，由氙-135 吸收中子与由氙-135 的 β- 衰变所引起的消失率两者刚好相等。但在动力热中子反应堆中，平均热中子通量密度一般都大于这个值，因此在正常功率运行时，氙-135 的消失主要是靠吸收中子而消失。

在反应堆停堆后，中子通量密度突然近似地降为零，裂变对氙-135 的直接产生率也近似等于零。但堆内存在的碘-135 继续衰变成为氙-135，而氙-135 却不再由吸收中子而消失，它只能通过β- 衰变而消失。另一方面由于氙-135 的半衰期大于碘-135 的半衰期，因而在停堆后的一段时间内，氙-135 的浓度将要反而增加。但是，由于在停堆后没有新的碘-135 产生，碘-135 的浓度将由于衰变而逐渐地减小，因此，氙-135 的浓度不会无限地增加下去，当它达到某一极值后，氙-135 的浓度将逐渐地减小。

2、影响因素

从停堆前后氙-135 浓度和剩余反应性随时间变化的示意图可知，停堆后氙-135 的浓度先是增加到最大值，然后逐渐地减小；剩余反应性随时间变化则与氙-135 浓度的变化刚好相反，先是减小到最小值，然后逐渐增大，通常把这一现象称为“碘坑”。因为这一现象主要是由于停堆后碘-135 继续衰变成氙-135所引起的。

从停堆时刻开始到剩余反应性又回升到停堆时刻的值时所经历的时间称为碘坑时间，以t1 表示。在碘坑期内，若剩余反应性还大于零，则反应堆还能靠移动控制棒来启动，这段时间称为允许停堆时间，以tp表示。若过剩反应性小于或等于零，则反应堆无法启动，这段时间称为强迫停堆时间。

停堆后氙中毒变化还与停堆方式有关。如果不是采取突然停堆的方式而是采取用逐渐的降低功率的方式来停堆，那末，因为有一部分氙-135 和碘-135 在停堆过程中吸收中子和衰变而消耗掉了，相当于在较低的功率下停堆。所以停堆后的碘坑深度要比突然停堆方式所引起的碘坑深度得多。如果在停堆后还存在大量氙-135 的情况下有重新启动反应堆，那末，由于中子通量密度突然增加，氙-135 密度将大量被吸收，它的浓度很快地下降，因而氙中毒迅速地减小

这时将出现正的反应性效应，堆内的剩余反应性很快地增加，原来作为启动用而提起的控制棒有要插到足够的深度，以补偿由于氙-135 浓度减小而引起的反应性增加。

功率变化时氙中毒

假使反应堆在稳定功率下运行了一段时间，而在某时刻突然改变它的功率，相应热中子通量密度变化。堆芯内的碘-135 和氙-135 的浓度也要发生改变。

当反应堆功率改变后，碘-135 和氙-135 的浓度与功率变化的中子通量密度值有关。反应堆变化前后碘-135 浓度、氙-135 浓度和剩余反应性随时间的变化的曲线形状与突然停堆的情况很相似，只是在变化程度上有差别。但当功率突然升高，碘-135、氙-135 浓度和剩余反应性随时间变化与功率突然下降的情况刚好相反。这时将出现正的反应性引入。

本词条内容贡献者为:

刘瑞桓 - 高级工程师 - 环境保护部核与辐射安全中心