Dans un réacteur nucléaire typique alimenté par de l’uranium 235, la présence de 135Xe en tant que produit de fission pose des problèmes aux concepteurs et aux opérateurs en raison de sa grande section efficace d’absorption des neutrons. Comme l’absorption de neutrons peut nuire à la capacité d’un réacteur nucléaire à augmenter sa puissance, les réacteurs sont conçus pour atténuer cet effet ; les opérateurs sont formés pour anticiper et réagir correctement à ces transitoires. En fait, pendant la Seconde Guerre mondiale, Enrico Fermi a soupçonné l’effet du Xe-135 et a suivi les conseils d’Emilio Segrè en contactant son étudiant Chien-Shiung Wu. L’article de Wu, bientôt publié, sur le Xe-135 a complètement vérifié la supposition de Fermi selon laquelle il absorbait les neutrons et perturbait le réacteur B qui était utilisé dans leur projet.

Pendant les périodes de fonctionnement en régime permanent à un niveau de flux neutronique constant, la concentration de 135Xe s’accumule jusqu’à sa valeur d’équilibre pour cette puissance de réacteur en environ 40 à 50 heures. Lorsque la puissance du réacteur est augmentée, la concentration de 135Xe diminue initialement parce que la combustion est augmentée au nouveau niveau de puissance plus élevé. Étant donné que 95 % de la production de 135Xe provient de la désintégration de l’iode-135, qui a une demi-vie de 6,57 heures, la production de 135Xe reste constante ; à ce stade, la concentration de 135Xe atteint un minimum. La concentration augmente ensuite jusqu’au nouveau niveau d’équilibre (plus précisément le niveau d’état stable) pour le nouveau niveau de puissance en 40 à 50 heures environ. Pendant les 4 à 6 heures qui suivent le changement de puissance, l’ampleur et le taux de variation de la concentration dépendent du niveau de puissance initial et de l’ampleur du changement de puissance ; la variation de la concentration de 135Xe est plus importante lorsque le changement de puissance est plus important. Lorsque la puissance du réacteur est diminuée, le processus est inversé.

L’iode-135 est un produit de fission de l’uranium avec un rendement d’environ 6% (en comptant également l’iode-135 produit presque immédiatement à partir de la désintégration du tellurium-135 produit par fission). Ce 135I se désintègre avec une demi-vie de 6,57 heures en 135Xe. Ainsi, dans un réacteur nucléaire en fonctionnement, le 135Xe est produit en permanence. Le 135Xe a une section transversale d’absorption des neutrons très importante, de sorte que dans l’environnement à flux neutronique élevé du cœur d’un réacteur nucléaire, le 135Xe absorbe rapidement un neutron et devient du 136Xe presque stable. Ainsi, en 50 heures environ, la concentration de 135Xe atteint un équilibre où sa création par désintégration du 135I est équilibrée par sa destruction par absorption de neutrons.

Lorsque la puissance du réacteur est diminuée ou arrêtée par l’insertion de barres de contrôle absorbant les neutrons, le flux neutronique du réacteur est réduit et l’équilibre se déplace initialement vers une concentration plus élevée de 135Xe. La concentration de 135Xe atteint son maximum environ 11,1 heures après la réduction de la puissance du réacteur. Comme le 135Xe a une demi-vie de 9,2 heures, la concentration de 135Xe diminue progressivement pour revenir à de faibles niveaux en 72 heures.

Le niveau temporairement élevé de 135Xe avec sa section transversale d’absorption des neutrons élevée rend difficile le redémarrage du réacteur pendant plusieurs heures. Le 135Xe, qui absorbe les neutrons, agit comme une barre de contrôle, réduisant la réactivité. L’impossibilité de démarrer un réacteur en raison des effets du 135Xe est parfois appelée démarrage empêché par le xénon, et le réacteur est dit « empoisonné ». La période pendant laquelle le réacteur est incapable de surmonter les effets du 135Xe est appelée le « temps mort du xénon ».

Si une autorité suffisante de contrôle de la réactivité est disponible, le réacteur peut être redémarré, mais le transitoire d’épuisement du xénon doit être soigneusement géré. Lorsque les barres de contrôle sont extraites et que la criticité est atteinte, le flux neutronique augmente de plusieurs ordres de grandeur et le 135Xe commence à absorber les neutrons et à être transmuté en 136Xe. Le réacteur brûle le poison nucléaire. Pendant ce temps, la réactivité et le flux neutronique augmentent, et les barres de contrôle doivent être progressivement réinsérées pour contrer la perte d’absorption des neutrons par le 135Xe. Sinon, le flux neutronique du réacteur continuera d’augmenter, brûlant encore plus de poison xénon, sur la voie de l’emballement de la criticité. La constante de temps de ce transitoire de combustion dépend de la conception du réacteur, de l’historique des niveaux de puissance du réacteur au cours des derniers jours et du nouveau réglage de la puissance. Pour une augmentation typique de la puissance de 50 % à 100 %, la concentration de 135Xe chute pendant environ 3 heures.

Le fait de ne pas avoir anticipé et géré correctement l’empoisonnement au xénon et d’avoir compensé le burn-off qui s’ensuit a été un facteur contribuant à la catastrophe de Tchernobyl ; lors d’une descente à une puissance inférieure, une combinaison d’erreur d’opérateur et d’empoisonnement au xénon a fait chuter la puissance thermique du réacteur à des niveaux proches de l’arrêt. Les efforts déployés par l’équipage pour rétablir la puissance, y compris le retrait manuel des barres de contrôle qui n’étaient pas sous le contrôle automatisé de l’ordinateur SKALA, ont placé le réacteur dans une configuration très dangereuse. Une procédure SCRAM ratée, entraînant le blocage des barres de contrôle à un niveau qui augmentait en fait la réactivité, a provoqué un transitoire thermique et une explosion de vapeur qui a déchiré le réacteur.

Les réacteurs utilisant un retraitement continu comme de nombreuses conceptions de réacteurs à sels fondus pourraient être en mesure d’extraire le 135Xe du combustible et d’éviter ces effets. Les réacteurs à combustible fluide ne peuvent pas développer une inhomogénéité du xénon car le combustible est libre de se mélanger. De plus, l’expérience sur les réacteurs à sels fondus a démontré que la pulvérisation du combustible liquide sous forme de gouttelettes à travers un espace gazeux pendant la recirculation peut permettre au xénon et au krypton de quitter les sels du combustible. Cependant, le fait de soustraire le xénon-135 à l’exposition aux neutrons fait également que le réacteur produit davantage de césium-135, un produit de fission à longue durée de vie.