न्यूट्रॉन जहर

परमाणु रिएक्टर जैसे अनुप्रयोगों में, न्यूट्रॉन विष (जिसे न्यूट्रॉन अवशोषक या परमाणु विष भी कहा जाता है) बड़े अवशोषण न्यूट्रॉन क्रॉस सेक्शन वाला पदार्थ है | ऐसे अनुप्रयोगों में, न्यूट्रॉन को अवशोषित करना सामान्यतः अवांछनीय प्रभाव होता है। चूंकि, न्यूट्रॉन-अवशोषक सामग्री के प्रकारों में अवशोषित किया जाता है जिसे विष भी कहा जाता है, जिससे उनके प्रारंभिक आधुनिक ईंधन भार की उच्च प्रतिक्रिया-शीलता को अल्प किया जा सके। इनमें से कुछ विष समाप्त हो जाते हैं क्योंकि वे रिएक्टर संचालन के समय न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं, जबकि अन्य अपेक्षाकृत स्थिर रहते हैं।

लघु अर्ध-जीवन विखंडन उत्पादों द्वारा न्यूट्रॉन पर प्रभुत्व रिएक्टर विषाक्तता के रूप में जाना जाता है; लंबे समय तक रहने वाले या स्थिर विखंडन उत्पादों द्वारा न्यूट्रॉन पर प्रभुत्व करने को रिएक्टर स्लैगिंग कहा जाता है।

क्षणिक विखंडन उत्पाद विष
परमाणु प्रतिक्रियाओं के समय उत्पन्न कुछ विखंडन उत्पादों में उच्च न्यूट्रॉन अवशोषण क्षमता होती है, जैसे कि क्सीनन-135 (सूक्ष्म क्रॉस-सेक्शन σ = 2,000,000 बार्न (इकाई) (बी); रिएक्टर स्थितियों में 3 मिलियन बार्न तक) और समैरियम -149 (σ = 74,500 बी) होती है। क्योंकि ये दो विखंडन उत्पाद विष रिएक्टर से न्यूट्रॉन को विस्थापित करते है, वे थर्मल उपयोगिता कारक और इस प्रकार प्रतिक्रिया-शीलता को प्रभावित करेंगे। इन विखंडन उत्पादों द्वारा परमाणु रिएक्टर कोर की विषाक्तता इतनी गंभीर हो सकती है कि श्रृंखला प्रतिक्रिया का अवरोध कर सकती है।

क्सीनन-135 विशेष रूप से परमाणु रिएक्टर के संचालन को अधिक रूप से प्रभावित करता है क्योंकि यह सबसे शक्तिशाली ज्ञात न्यूट्रॉन विष है। क्सीनन-135 के निर्माण के कारण रिएक्टर को फिर से शुरू करने में असमर्थता (लगभग 10 घंटे के पश्चात अधिकतम तक पहुँचती है) को कभी-कभी क्सीनन प्रीक्लूडेड प्रारम्भ के रूप में संदर्भित किया जाता है। उस समय की अवधि जिसमें रिएक्टर क्सीनन-135 के प्रभावों की उपेक्षा करने में असमर्थ है, क्सीनन सिग्नल के निष्क्रिय रहने का अंतराल या विष कहलाता है। स्थिर स्थिति संचालन की अवधि के समय, निरंतर न्यूट्रॉन प्रवाह स्तर पर, क्सीनन-135 एकाग्रता लगभग 40 से 50 घंटों में उस रिएक्टर शक्ति के लिए अपने संतुलन मूल्य तक बनाता है। जब रिएक्टर की शक्ति में वृद्धि होती है, तो क्सीनन-135 की सांद्रता प्रारंभ में अल्प हो जाती है क्योंकि बर्न अप नए, उच्च शक्ति स्तर पर बढ़ जाता है। इस प्रकार, विशेष रूप से भौतिक रूप से बड़े रिएक्टरों में फ्लक्स पैटर्न और ज्यामितीय बिजली वितरण की स्थिरता के लिए क्सीनन विषाक्तता की गतिशीलता महत्वपूर्ण है।

क्योंकि क्सीनन-135 का 95% उत्पादन आयोडीन-135 क्षय से होता है, जिसमें 6- से 7 घंटे का आधा जीवन होता है, क्सीनन-135 का उत्पादन स्थिर रहता है; इस बिंदु पर, क्सीनन-135 एकाग्रता न्यूनतम तक पहुँचता है। एकाग्रता तब एक ही समय में लगभग 40 से 50 घंटे में नए शक्ति स्तर के लिए संतुलन तक बढ़ जाती है। बिजली परिवर्तन के बाद प्रारंभिक 4 से 6 घंटे की अवधि के दौरान परिमाण और एकाग्रता में परिवर्तन की दर प्रारंभिक शक्ति स्तर और बिजली स्तर में परिवर्तन की मात्रा पर निर्भर है; शक्ति स्तर में बड़े परिवर्तन  के लिए क्सीनन-135 एकाग्रता परिवर्तन अधिक है। जब रिएक्टर की शक्ति कम हो जाती है, तो प्रक्रिया परिवर्तित हो जाती है। क्योंकि समैरियम-149 रेडियोधर्मी नहीं है और क्षय द्वारा हटाया नहीं जाता है, यह क्सीनन-135 के साथ आने वाली समस्याओं से कुछ अलग प्रस्तुत करता है। लगभग 500 घंटे (लगभग तीन सप्ताह) में रिएक्टर संचालन के दौरान संतुलन एकाग्रता (और इस प्रकार विषाक्तता प्रभाव) संतुलन मूल्य बनाता है,चूंकि समैरियम-149 स्थिर है, इसलिए रिएक्टर संचालन के दौरान एकाग्रता अनिवार्य रूप से स्थिर रहती है। और समस्याग्रस्त समस्थानिक जो बनता है  गैडोलीनियम-157 है, जिसमें σ = 200,000 b का सूक्ष्म क्रॉस-सेक्शन है

संचित विखंडन उत्पाद विष
कई अन्य विखंडन उत्पाद हैं, जो उनकी एकाग्रता और थर्मल न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस सेक्शन के परिणामस्वरूप रिएक्टर ऑपरेशन पर विषैला प्रभाव डालते हैं। व्यक्तिगत रूप से, वे कम महत्व रखते हैं, लेकिन साथ लेने पर उनका महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इन्हें प्रायः गांठदार विखंडन उत्पाद विष के रूप में वर्णित किया जाता है और रिएक्टर में प्रति विखंडन घटना में 50 खलिहानों की औसत दर पर एकत्र होता है। परमाणु ईंधन में विखंडन उत्पाद के विष का निर्माण अंततः दक्षता की हानि और कुछ स्थितियों में अस्थिरता की ओर जाता है। व्यवहार में, परमाणु ईंधन में रिएक्टर विष का निर्माण रिएक्टर में परमाणु ईंधन के जीवनकाल को निर्धारित करता है: सभी संभावित विखंडन होने से पहले, लंबे समय तक रहने वाले न्यूट्रॉन-अवशोषित विखंडन उत्पादों का निर्माण श्रृंखला प्रतिक्रिया को कम कर देता है। यही कारण है कि परमाणु पुनर्संसाधन उपयोगी गतिविधि है: ठोस व्यय किए गए परमाणु ईंधन में नवनिर्मित परमाणु ईंधन में उपस्थित मूल विखंडनीय सामग्री का लगभग 97% भाग होता है। विखंडन उत्पादों का रासायनिक पृथक्करण ईंधन को पुनर्स्थापित करता है ताकि इसे से उपयोग किया जा सके।

विखंडन उत्पाद को हटाने के अन्य संभावित उपायों में ठोस लेकिन झरझरा ईंधन सम्मिलित है जो विखंडन उत्पादों और तरल या गैसीय ईंधन (पिघला हुआ नमक रिएक्टर, जलीय सजातीय रिएक्टर)  से बचने की अनुमति देता है। ये ईंधन में विखंडन उत्पाद संचय की समस्या को कम करते हैं, लेकिन विखंडन उत्पादों को सुरक्षित रूप से हटाने और भंडारण करने की अतिरिक्त समस्या उत्पन्न करते हैं। कुछ विखंडन उत्पाद स्वयं स्थिर होते हैं या तेजी से स्थिर न्यूक्लाइड में क्षय हो जाते हैं। (लगभग आधा दर्जन प्रत्येक) मध्यम जीवित और लंबे समय तक रहने वाले विखंडन उत्पाद, कुछ, जैसे, उनके गैर-नगण्य कैप्चर क्रॉस सेक्शन के कारण ठीक परमाणु प्रसारण के लिए प्रस्तावित हैं।

अपेक्षाकृत उच्च अवशोषण क्रॉस सेक्शन वाले अन्य विखंडन उत्पादों में83Kr, 95Mo, 143Nd, 147Pm सम्मिलित हैं। इस द्रव्यमान के ऊपर, यहां तक ​​कि कई सम-द्रव्यमान संख्या वाले समस्थानिकों में बड़े अवशोषण क्रॉस सेक्शन होते हैं, जिससे नाभिक क्रमिक रूप से कई न्यूट्रॉन को अवशोषित कर सकता है। भारी एक्टिनाइड्स का विखंडन लैंथेनाइड श्रेणी में अधिक भारी विखंडन उत्पादों का उत्पादन करता है, इसलिए विखंडन उत्पादों का कुल न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस सेक्शन अधिक होता है।

बल रिएक्टर में विखंडन उत्पाद विष की स्थिति अधिक भिन्न हो सकती है क्योंकि न्यूट्रॉन अवशोषण न्यूट्रॉन क्रॉस-सेक्शन थर्मल न्यूट्रॉन और बल न्यूट्रॉन के लिए भिन्न हो सकते हैं। आरबीईसी-एम (RBEC-M) लीड-बिस्मथ तीव्रता से ठंडा रिएक्टर में, न्यूट्रॉन के साथ विखंडन उत्पाद कुल विखंडन उत्पादों के 5% से अधिक न्यूट्रॉन प्रभुत्व करते हैं, क्रम में, 133सीएस, 101रु, 103आरएच, 99टीसी, 105पीडी और 107परमाणु रिएक्टर कोर में पीडी, के साथ 149एसएम परिवर्तित कर रहा है।107

क्षय विष
विखंडन उत्पाद जहर के अलावा, रिएक्टर में अन्य सामग्री न्यूट्रॉन जहर के रूप में कार्य करने वाली सामग्री में क्षय हो जाती है। इसका उदाहरण ट्रिटियम का हीलियम-3 में क्षय है। चूंकि ट्रिटियम का आधा जीवन 12.3 वर्ष है, आम तौर पर यह क्षय रिएक्टर संचालन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं करता है क्योंकि ट्रिटियम के क्षय की दर इतनी धीमी है। हालांकि, अगर ट्रिटियम को  रिएक्टर में उत्पादित किया जाता है और फिर कई महीनों के लंबे समय तक बंद रहने के दौरान रिएक्टर में रहने की अनुमति दी जाती है, तो पर्याप्त मात्रा में ट्रिटियम हीलियम -3 में क्षय हो सकता है ताकि महत्वपूर्ण मात्रा में नकारात्मक प्रतिक्रिया हो सके। शटडाउन अवधि के दौरान रिएक्टर में उत्पादित किसी भी हीलियम-3 को बाद के ऑपरेशन के दौरान न्यूट्रॉन-प्रोटॉन प्रतिक्रिया द्वारा हटा दिया जाएगा। दाबित भारी पानी रिएक्टर, भारी जल मॉडरेटर में न्यूट्रॉन कैप्चर के माध्यम से ट्रिटियम की छोटी लेकिन उल्लेखनीय मात्रा का उत्पादन करेंगे, जो इसी तरह हीलियम-3 में क्षय होगा। ट्रिटियम और हीलियम -3 दोनों के उच्च बाजार मूल्य को देखते हुए, ट्रिटियम को समय-समय पर कुछ अफ़ीम रिएक्टरों के मॉडरेटर/शीतलक से हटा दिया जाता है और लाभ पर बेचा जाता है। वॉटर बोरेशन (मॉडरेटर/कूलेंट में बोरिक एसिड का योग) जो आमतौर पर दाबित प्रकाश जल रिएक्टरों में नियोजित किया जाता है, क्रमिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ट्रिटियम की गैर-नगण्य मात्रा का उत्पादन करता है (न्यूट्रॉन, अल्फा कण|α) और (एन, एन एन) या (तेज न्यूट्रॉन की उपस्थिति में) (एन, ए) और बाद में (एन, ए). फास्ट न्यूट्रॉन भी बोरॉन से सीधे ट्रिटियम का उत्पादन करते हैं (एन, 2α). सभी परमाणु विखंडन रिएक्टर त्रिगुट विखंडन के माध्यम से ट्रिटियम की निश्चित मात्रा का उत्पादन करते हैं।

विषों पर नियंत्रण करें
रिएक्टर के संचालन के दौरान कोर में निहित ईंधन की मात्रा नीरस रूप से घट जाती है। यदि रिएक्टर को लंबे समय तक संचालित करना है, तो रिएक्टर में ईंधन भरते समय सटीक महत्वपूर्ण द्रव्यमान के लिए आवश्यक से अधिक ईंधन जोड़ा जाना चाहिए। अतिरिक्त ईंधन के कारण सकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता को न्यूट्रॉन-अवशोषित सामग्री से नकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता के साथ संतुलित किया जाना चाहिए। न्यूट्रॉन-अवशोषित सामग्री वाली जंगम नियंत्रण छडे विधि है, लेकिन अतिरिक्त प्रतिक्रियाशीलता को संतुलित करने के लिए अकेले नियंत्रण छड़ें  विशेष कोर डिजाइन के लिए अव्यावहारिक हो सकती हैं क्योंकि छड़ या उनके तंत्र के लिए अपर्याप्त जगह हो सकती है, अर्थात् पनडुब्बियों में, जहां अंतरिक्ष विशेष रूप से है ऊंची कीमत पर।

ज्वलनशील विष
नियंत्रण छड़ के बिना बड़ी मात्रा में अतिरिक्त ईंधन प्रतिक्रियाशीलता को नियंत्रित करने के लिए, ज्वलनशील जहर को कोर में लोड किया जाता है। ज्वलनशील जहर ऐसी सामग्रियां हैं जिनमें उच्च न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस सेक्शन होता है जो न्यूट्रॉन अवशोषण के परिणामस्वरूप अपेक्षाकृत कम अवशोषण क्रॉस सेक्शन की सामग्री में परिवर्तित हो जाते हैं। जहरीली सामग्री के जलने के कारण, ज्वलनशील जहर की नकारात्मक प्रतिक्रिया कोर जीवन पर कम हो जाती है। आदर्श रूप से, इन जहरों को अपनी नकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता को उसी दर से कम करना चाहिए जिससे ईंधन की अतिरिक्त सकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता समाप्त हो जाती है। स्थिर ज्वलनशील विष सामान्यतः बोरॉन के यौगिकों के रूप में उपयोग किए जाते हैं या गैडोलीनियम जो अलग-अलग जालीदार पिन या प्लेटों के आकार का होता है, या ईंधन में योजक के रूप में पेश किया जाता है। चूंकि वे आमतौर पर नियंत्रण छड़ों की तुलना में अधिक समान रूप से वितरित किए जा सकते हैं, ये जहर कोर के बिजली वितरण के लिए कम विघटनकारी हैं। रिएक्टर के कुछ क्षेत्रों के पास अत्यधिक फ्लक्स और पावर पीकिंग को रोकने के लिए फ्लक्स प्रोफाइल को आकार देने या नियंत्रित करने के लिए निश्चित ज्वलनशील जहर को कोर में विशिष्ट स्थानों पर लोड किया जा सकता है। हालांकि वर्तमान अभ्यास इस सेवा में निश्चित गैर-दहनशील विषों का उपयोग करना है।

न जलने वाला जहर
गैर-दहनशील जहर वह है जो कोर के जीवन के लायक लगातार नकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता बनाए रखता है। जबकि कोई भी न्यूट्रॉन जहर पूरी तरह से गैर-दहनशील नहीं है, कुछ सामग्रियों को कुछ शर्तों के तहत गैर-दहनशील जहर के रूप में माना जा सकता है। उदाहरण हेफ़नियम है। इसके पाँच स्थिर समस्थानिक हैं, 176Hf के माध्यम से 180Hf, जो सभी न्यूट्रॉन को अवशोषित कर सकते हैं, इसलिए पहले चार न्यूट्रॉन को अवशोषित करके रासायनिक रूप से अपरिवर्तित होते हैं। ( अंतिम अवशोषण पैदा करता है 181Hf, जो बीटा-क्षय करता है 181Ta।) इस अवशोषण श्रृंखला के परिणामस्वरूप लंबे समय तक जलने योग्य जहर होता है जो गैर-दहनशील विशेषताओं का अनुमान लगाता है।

घुलनशील जहर
घुलनशील जहर, जिसे रासायनिक शिम (चुंबकत्व) भी कहा जाता है, जल शीतलक में भंग होने पर स्थानिक रूप से समान न्यूट्रॉन अवशोषण उत्पन्न करता है। वाणिज्यिक दबाव वाले पानी रिएक्टरों (पीडब्लूआर) में सबसे आम घुलनशील जहर बोरिक एसिड होता है, जिसे अक्सर घुलनशील बोरॉन कहा जाता है। शीतलक में बोरिक एसिड थर्मल उपयोगिता कारक को कम करता है, जिससे प्रतिक्रियाशीलता में कमी आती है। शीतलक में बोरिक एसिड की सांद्रता को अलग करके, प्रक्रिया जिसे बोरेशन और कमजोर पड़ने के रूप में संदर्भित किया जाता है, कोर की प्रतिक्रियाशीलता को आसानी से भिन्न किया जा सकता है। यदि बोरॉन की सघनता बढ़ जाती है, तो शीतलक/मंदक अधिक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है, जिससे नकारात्मक प्रतिक्रिया होती है। यदि बोरॉन सांद्रता कम हो जाती है (कमजोर पड़ जाती है), तो सकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता जुड़ जाती है। पीडब्ल्यूआर में बोरॉन की मात्रा में बदलाव  धीमी प्रक्रिया है और इसका इस्तेमाल मुख्य रूप से ईंधन के खत्म होने या जहर बनने की भरपाई के लिए किया जाता है। बोरॉन एकाग्रता में भिन्नता नियंत्रण रॉड उपयोग को कम करने की अनुमति देती है, जिसके परिणामस्वरूप रॉड सम्मिलन द्वारा उत्पादित किए जा सकने वाले कोर पर  चापलूसी प्रवाह प्रोफ़ाइल होती है। चापलूसी प्रवाह प्रोफ़ाइल इसलिए होती है क्योंकि उदास प्रवाह के कोई क्षेत्र नहीं होते हैं जैसे कि डाले गए नियंत्रण छड़ के आसपास के क्षेत्र में उत्पादित किया जाएगा। यह प्रणाली व्यापक उपयोग में नहीं है क्योंकि रसायन मॉडरेटर तापमान प्रतिक्रियाशीलता गुणांक को कम नकारात्मक बनाते हैं। यूएस (वेस्टिंगहाउस, दहन इंजीनियरिंग, और बैबॉक एंड विलकॉक्स) में संचालित सभी वाणिज्यिक पीडब्लूआर प्रकार अतिरिक्त प्रतिक्रियाशीलता को नियंत्रित करने के लिए घुलनशील बोरॉन का उपयोग करते हैं। अमेरिकी नौसेना के रिएक्टर और उबलते पानी के रिएक्टर नहीं हैं। आपातकालीन शटडाउन सिस्टम में घुलनशील जहर का भी उपयोग किया जाता है। एससीआरएएम के दौरान ऑपरेटर सीधे रिएक्टर शीतलक में न्यूट्रॉन जहर युक्त समाधान इंजेक्ट कर सकते हैं। बोरेक्रस और गैडोलिनियम नाइट्रेट सहित विभिन्न जलीय घोल (Gd(NO3)3·$x$H2ओ.) का प्रयोग किया जाता है।