Neutron poison
परमाणु रिएक्टरों जैसे अनुप्रयोगों में, एक न्यूट्रॉन जहर (जिसे न्यूट्रॉन अवशोषक या परमाणु जहर भी कहा जाता है) एक बड़ा न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस-सेक्शन वाला पदार्थ है। इस तरह के अनुप्रयोगों में, न्यूट्रॉन को अवशोषित करना आम तौर पर एक अवांछनीय प्रभाव होता है। हालांकि, न्यूट्रॉन-अवशोषित करने वाली सामग्री, जिसे जहर भी कहा जाता है, को जानबूझकर कुछ प्रकार के रिएक्टरों में डाला जाता है ताकि उनके प्रारंभिक ताजा ईंधन भार की उच्च प्रतिक्रियाशीलता को कम किया जा सके। इनमें से कुछ जहर कम हो जाते हैं क्योंकि वे रिएक्टर संचालन के दौरान न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं जबकि अन्य अपेक्षाकृत स्थिर रहते हैं। छोटे अर्ध-जीवन विखंडन उत्पादों द्वारा न्यूट्रॉन को पकड़ने को रिएक्टर विषाक्तता के रूप में जाना जाता है; लंबे समय तक रहने वाले या स्थिर विखंडन उत्पादों द्वारा न्यूट्रॉन को पकड़ने को रिएक्टर स्लैगिंग कहा जाता है। क्षणिक विखंडन उत्पाद विष परमाणु प्रतिक्रियाओं के दौरान उत्पन्न कुछ विखंडन उत्पादों में उच्च न्यूट्रॉन अवशोषण क्षमता होती है, जैसे कि ज़ेनॉन-135 (सूक्ष्म क्रॉस-सेक्शन σ = 2,000,000 बार्न्स (बी); रिएक्टर स्थितियों में 3 मिलियन बार्न्स तक) और समरियम-149 (σ = 74,500 बी)। क्योंकि ये दोनों, विखंडन-उत्पाद विष रिएक्टर से न्यूट्रॉन को हटा देते हैं, वे तापीय उपयोग कारक को प्रभावित करेंगे और इस प्रकार, प्रतिक्रियाशीलता। इन विखंडन उत्पादों द्वारा रिएक्टर कोर का विषाक्तता इतनी गंभीर हो सकती है कि श्रृंखला प्रतिक्रिया रुक जाती है। ज़ेनॉन-135 विशेष रूप से एक परमाणु रिएक्टर के संचालन को बहुत प्रभावित करता है क्योंकि यह सबसे शक्तिशाली, ज्ञात, न्यूट्रॉन जहर है। ज़ेनॉन-135 के निर्माण (लगभग 10 घंटे के बाद अधिकतम तक पहुंचने) के कारण रिएक्टर को फिर से शुरू करने में असमर्थता को कभी-कभी ज़ेनॉन-पूर्वनिर्धारित स्टार्ट-अप के रूप में संदर्भित किया जाता है। जिस अवधि में रिएक्टर ज़ेनॉन-135 के प्रभावों को ओवरराइड करने में असमर्थ होता है, उसे ज़ेनॉन डेड टाइम या ज़हर आउटेज कहा जाता है। स्थिर अवस्था संचालन की अवधि के दौरान, एक स्थिर न्यूट्रॉन प्रवाह स्तर पर, ज़ेनॉन-135 सांद्रता लगभग 40 से 50 घंटों में उस रिएक्टर शक्ति के लिए अपने संतुलन मूल्य तक बढ़ जाती है। जब रिएक्टर की शक्ति बढ़ाई जाती है, तो ज़ेनॉन-135 की सांद्रता शुरू में कम हो जाती है क्योंकि नए, उच्च शक्ति स्तर पर जलना बढ़ जाता है। इस प्रकार, ज़ेनॉन विषाक्तता की गतिशीलता प्रवाह पैटर्न और ज्यामितीय शक्ति वितरण की स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से भौतिक रूप से बड़े रिएक्टरों में। क्योंकि ज़ेनॉन-135 के उत्पादन का 95 प्रतिशत आयोडीन-135 के क्षय से होता है, जिसका अर्ध-जीवनकाल 6 से 7 घंटे है, ज़ेनॉन-135 का उत्पादन स्थिर रहता है; इस बिंदु पर, ज़ेनॉन-135 की सांद्रता न्यूनतम तक पहुँच जाती है। सांद्रता फिर उसी समय में नए शक्ति स्तर के लिए संतुलन तक बढ़ जाती है, लगभग 40 से 50 घंटे। विद्युत परिवर्तन के बाद प्रारंभिक 4 से 6 घंटे की अवधि के दौरान सांद्रता के परिवर्तन का परिमाण और दर प्रारंभिक शक्ति स्तर और शक्ति स्तर में परिवर्तन की मात्रा पर निर्भर करती है; शक्ति स्तर में बड़े परिवर्तन के लिए ज़ेनॉन-135 सांद्रता परिवर्तन अधिक होता है। जब रिएक्टर की शक्ति कम हो जाती है, तो प्रक्रिया उलट हो जाती है। क्योंकि समरियम-149 रेडियोधर्मी नहीं है और क्षय द्वारा नहीं हटाया जाता है, यह ज़ेनॉन-135 के साथ आने वाली समस्याओं से कुछ अलग समस्याएं प्रस्तुत करता है। संतुलन सांद्रता (और इस प्रकार विषाक्त प्रभाव) लगभग 500 घंटों (लगभग तीन सप्ताह) में रिएक्टर संचालन के दौरान एक संतुलन मूल्य का निर्माण करती है, और चूंकि समरियम-149 स्थिर है, इसलिए रिएक्टर संचालन के दौरान सांद्रता अनिवार्य रूप से स्थिर रहती है। एक अन्य समस्याग्रस्त समस्थानिक जो बनता है वह है गैडोलिनियम-157, जिसका सूक्ष्म क्रॉस-सेक्शन σ = 200,000 b है। विखंडन उत्पाद विष को जमा करना कई अन्य विखंडन उत्पाद हैं, जो अपनी एकाग्रता और थर्मल न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस सेक्शन के परिणामस्वरूप, रिएक्टर संचालन पर विषाक्त प्रभाव डालते हैं। व्यक्तिगत रूप से, उनका बहुत कम प्रभाव पड़ता है, लेकिन एक साथ लेने पर उनका महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इन्हें अक्सर एकमुश्त विखंडन उत्पाद विष के रूप में चिह्नित किया जाता है और रिएक्टर में प्रति विखंडन घटना में 50 बार्न की औसत दर से जमा होता है। ईंधन में विखंडन उत्पाद के जहर का निर्माण अंततः दक्षता के नुकसान और कुछ मामलों में अस्थिरता की ओर ले जाता है। व्यवहार में, परमाणु ईंधन में रिएक्टर जहर का निर्माण एक रिएक्टर में परमाणु ईंधन के जीवनकाल को निर्धारित करता हैः सभी संभावित विखंडन होने से बहुत पहले, लंबे समय तक रहने वाले न्यूट्रॉन-अवशोषित विखंडन उत्पादों का निर्माण श्रृंखला प्रतिक्रिया को कम कर देता है। यही कारण है कि परमाणु पुनःसंसाधन एक उपयोगी गतिविधि हैः ठोस खर्च किए गए परमाणु ईंधन में नए निर्मित परमाणु ईंधन में मौजूद मूल विखंडनीय सामग्री का लगभग 97 प्रतिशत होता है। विखंडन उत्पादों का रासायनिक पृथक्करण ईंधन को पुनर्स्थापित करता है ताकि इसका फिर से उपयोग किया जा सके। विखंडन उत्पाद हटाने के अन्य संभावित तरीकों में ठोस लेकिन झरझरा ईंधन शामिल 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 संग्रहीत करने की अतिरिक्त समस्या पैदा करते हैं। कुछ विखंडन उत्पाद स्वयं स्थिर होते हैं या जल्दी से स्थिर न्यूक्लिड में क्षय हो जाते हैं। (लगभग आधा दर्जन प्रत्येक) मध्यम जीवित और लंबे समय तक रहने वाले विखंडन उत्पादों में से कुछ, जैसे, परमाणु संक्रमण के लिए प्रस्तावित हैं, ठीक उनके गैर-नगण्य कब्जा क्रॉस सेक्शन के कारण। अपेक्षाकृत उच्च अवशोषण क्रॉस सेक्शन वाले अन्य विखंडन उत्पादों में 83Kr, 95Mo, 143Nd, 147Pm शामिल हैं। इस द्रव्यमान के ऊपर, कई सम-द्रव्यमान संख्या वाले समस्थानिकों में भी बड़े अवशोषण क्रॉस सेक्शन होते हैं, जिससे एक नाभिक कई न्यूट्रॉन को क्रमिक रूप से अवशोषित कर सकता है। भारी एक्टिनाइड्स का विखंडन लैंथेनाइड रेंज में भारी विखंडन उत्पादों का अधिक उत्पादन करता है, इसलिए विखंडन उत्पादों का कुल न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस सेक्शन अधिक होता है। एक तेज रिएक्टर में विखंडन उत्पाद विष की स्थिति काफी भिन्न हो सकती है क्योंकि न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस सेक्शन थर्मल न्यूट्रॉन और तेज न्यूट्रॉन के लिए भिन्न हो सकते हैं। आरबीईसी-एम लीड-बिस्मथ कूल्ड फास्ट रिएक्टर में, न्यूट्रॉन के साथ विखंडन उत्पाद कुल विखंडन उत्पादों के 5 प्रतिशत से अधिक को पकड़ते हैं, क्रम में, 133सी, 101आरयू, 103आरएच, 99टीसी, 105पीडी और 107पीडी कोर में हैं, जिसमें प्रजनन कंबल में छठे स्थान के लिए 107पीडी की जगह 149एसएम लेता है। विखंडन उत्पाद विष के अलावा, रिएक्टर में अन्य सामग्री न्यूट्रॉन विष के रूप में कार्य करने वाली सामग्री में क्षय हो जाती है। इसका एक उदाहरण ट्रिटियम का हीलियम-3 में क्षय है। चूँकि ट्रिटियम का आधा जीवन 12.3 वर्ष का होता है, आम तौर पर यह क्षय रिएक्टर संचालन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं करता है क्योंकि ट्रिटियम के क्षय की दर इतनी धीमी होती है। हालाँकि, यदि ट्रिटियम का उत्पादन एक रिएक्टर में किया जाता है और फिर कई महीनों के लंबे समय तक बंद रहने के दौरान रिएक्टर में रहने दिया जाता है, तो ट्रिटियम की पर्याप्त मात्रा हीलियम-3 में क्षय हो सकती है ताकि महत्वपूर्ण मात्रा में नकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता मिल सके। शटडाउन अवधि के दौरान रिएक्टर में उत्पादित किसी भी हीलियम-3 को न्यूट्रॉन-प्रोटॉन प्रतिक्रिया द्वारा बाद के संचालन के दौरान हटा दिया जाएगा। दबावयुक्त भारी जल रिएक्टर भारी जल नियंत्रक में न्यूट्रॉन ग्रहण के माध्यम से ट्रिटियम की छोटी लेकिन उल्लेखनीय मात्रा का उत्पादन करेंगे, जो इसी तरह हीलियम-3 में क्षय हो जाएगा। ट्रिटियम और हीलियम-3 दोनों के उच्च बाजार मूल्य को देखते हुए, ट्रिटियम को समय-समय पर कुछ कैंडु रिएक्टरों के मॉडरेटर/शीतलक से हटा दिया जाता है और लाभ पर बेचा जाता है। जल बोरेशन (मॉडरेटर/शीतलक में बोरिक एसिड का जोड़) जो आमतौर पर दबाव वाले हल्के पानी के रिएक्टरों में उपयोग किया जाता है, लगातार प्रतिक्रियाओं (एन, α) और (एन, α) या (तेज न्यूट्रॉन की उपस्थिति में) (एन, 2एन) और बाद में (एन, α) के माध्यम से ट्रिटियम की गैर-नगण्य मात्रा का उत्पादन करता है। तेज न्यूट्रॉन भी सीधे बोरॉन से (n, 2α) के माध्यम से ट्रिटियम का उत्पादन करते हैं। सभी परमाणु विखंडन रिएक्टर त्रयी विखंडन के माध्यम से एक निश्चित मात्रा में ट्रिटियम का उत्पादन करते हैं। एक रिएक्टर के संचालन के दौरान कोर में निहित ईंधन की मात्रा नीरस रूप से कम हो जाती है। यदि रिएक्टर को लंबे समय तक काम करना है, तो जब रिएक्टर को ईंधन दिया जाता है तो सटीक महत्वपूर्णता के लिए आवश्यक ईंधन 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 चल नियंत्रण छड़ें एक विधि है, लेकिन अतिरिक्त प्रतिक्रियाशीलता को संतुलित करने के लिए अकेले नियंत्रण छड़ें एक 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 जगह विशेष रूप से अधिक होती है। ज्वलनशील जहर नियंत्रण छड़ के बिना बड़ी मात्रा में अतिरिक्त ईंधन प्रतिक्रियाशीलता को नियंत्रित करने के लिए, दहनशील जहर को कोर में लोड किया जाता है। ज्वलनशील जहर वे पदार्थ 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। ज़हर सामग्री के जलने के कारण, जलने योग्य ज़हर की नकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता मुख्य जीवन में कम हो जाती है। आदर्श रूप से, इन जहरों को अपनी नकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता को उसी दर से कम करना चाहिए जिस दर से ईंधन की अतिरिक्त सकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता समाप्त हो जाती है। स्थिर ज्वलनशील जहर का उपयोग आम तौर पर बोरॉन या गैडोलिनियम के यौगिकों के रूप में किया जाता है जो अलग-अलग जाली पिन या प्लेटों में आकार लेते हैं, या ईंधन में योजक के रूप में पेश किए जाते हैं। चूँकि उन्हें आमतौर पर नियंत्रण छड़ की तुलना में अधिक समान रूप से वितरित किया जा सकता है, ये जहर कोर के बिजली वितरण के लिए कम विघटनकारी होते हैं। रिएक्टर के कुछ क्षेत्रों के पास अत्यधिक प्रवाह और बिजली के चरम को रोकने के लिए फ्लक्स प्रोफाइल को आकार देने या नियंत्रित करने के लिए स्थिर ज्वलनशील जहरों को भी कोर में विशिष्ट स्थानों पर अलग से लोड किया जा सकता है। हालाँकि वर्तमान प्रथा इस सेवा में स्थिर गैर-ज्वलनशील जहर का उपयोग करना है। गैर-ज्वलनशील जहर एक गैर-दहनशील जहर है जो कोर के जीवन भर एक निरंतर नकारात्मक प्रतिक्रिया को बनाए रखता है। जबकि कोई भी न्यूट्रॉन जहर सख्ती से गैर-ज्वलनशील नहीं होता है, कुछ स्थितियों में कुछ सामग्रियों को गैर-दहनशील जहर के रूप में माना जा सकता है। एक उदाहरण हैफनियम। इसमें पाँच स्थिर समस्थानिक हैं, जो सभी न्यूट्रॉन को अवशोषित कर सकते हैं, इसलिए पहले चार न्यूट्रॉन को अवशोषित करके रासायनिक रूप से अपरिवर्तित हैं। (एक अंतिम अवशोषण उत्पन्न करता है, जो बीटा-क्षय हो जाता है।) इस अवशोषण श्रृंखला के परिणामस्वरूप एक लंबे समय तक रहने वाला ज्वलनशील जहर होता है जो गैर-दहनशील विशेषताओं का अनुमान लगाता है। घुलनशील जहर घुलनशील जहर, जिसे रासायनिक शिम भी कहा जाता है, पानी के शीतलक में घुलने पर एक स्थानिक रूप से समान न्यूट्रॉन अवशोषण पैदा करता है। वाणिज्यिक दबाव जल रिएक्टरों (पीडब्लूआर) में सबसे आम घुलनशील जहर बोरिक एसिड है, जिसे अक्सर घुलनशील बोरॉन के रूप में जाना जाता है। शीतलक में बोरिक एसिड तापीय उपयोग कारक को कम कर देता है, जिससे प्रतिक्रियाशीलता में कमी आती है। शीतलक में बोरिक एसिड की सांद्रता को बदलकर, एक प्रक्रिया जिसे बोरेशन और डाइल्यूशन के रूप में संदर्भित किया जाता है, कोर की प्रतिक्रियाशीलता को आसानी से बदला जा सकता है। यदि बोरान की सांद्रता बढ़ जाती है (बोरेशन), तो शीतलक/मध्यस्थ अधिक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है, जिससे नकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता बढ़ जाती है। यदि बोरान की सांद्रता कम हो जाती है (मंदन), तो सकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता जोड़ी जाती है। पीडब्लूआर में बोरान सांद्रता का परिवर्तन एक धीमी प्रक्रिया है और इसका उपयोग मुख्य रूप से ईंधन के जलने या जहर के निर्माण की भरपाई के लिए किया जाता है। बोरॉन सांद्रता में भिन्नता नियंत्रण छड़ के उपयोग को कम करने की अनुमति देती है, जिसके परिणामस्वरूप कोर पर एक चपटा फ्लक्स प्रोफ़ाइल होती है जो छड़ सम्मिलन द्वारा उत्पादित की जा सकती है। चपटा फ्लक्स प्रोफाइल इसलिए होता है क्योंकि दबाए गए फ्लक्स के कोई क्षेत्र नहीं होते हैं जैसे कि अंतःस्थापित नियंत्रण छड़ के आसपास के क्षेत्र में उत्पन्न होते हैं। यह प्रणाली व्यापक रूप से उपयोग में नहीं है क्योंकि रसायन मध्यस्थ तापमान प्रतिक्रिया गुणांक को कम नकारात्मक बनाते हैं। अमेरिका में काम करने वाले सभी वाणिज्यिक पीडब्लूआर प्रकार (वेस्टिंगहाउस, दहन इंजीनियरिंग और बैबकॉक और विल्कॉक्स) अतिरिक्त प्रतिक्रियाशीलता को नियंत्रित करने के लिए घुलनशील बोरॉन का उपयोग करते हैं। अमेरिकी नौसेना रिएक्टर और उबलते पानी के रिएक्टर नहीं करते हैं। बोरिक एसिड का एक ज्ञात मुद्दा यह है कि यह जंग के जोखिम को बढ़ाता है, जैसा कि डेविस-बेसे परमाणु ऊर्जा केंद्र में 2002 की एक घटना में दिखाया गया है। घुलनशील जहर का उपयोग आपातकालीन शटडाउन प्रणालियों में भी किया जाता है। एस. सी. आर. ए. एम. के दौरान प्रचालक न्यूट्रॉन विष वाले घोल को सीधे रिएक्टर शीतलक में डाल सकते हैं। बोराक्स और गैडोलिनियम नाइट्रेट (जी. डी. (एन. ओ. 3) 3·एच2ओ) सहित विभिन्न जलीय विलयनों का उपयोग किया जाता है। संदर्भ ग्रंथ सूची परमाणु प्रौद्योगिकी परमाणु रिएक्टर सुरक्षा