In un tipico reattore nucleare alimentato con uranio-235, la presenza di 135Xe come prodotto di fissione presenta problemi ai progettisti e agli operatori a causa della sua grande sezione trasversale di assorbimento dei neutroni. Poiché l’assorbimento di neutroni può influenzare negativamente la capacità di un reattore nucleare di aumentare la potenza, i reattori sono progettati per mitigare questo effetto; gli operatori sono addestrati ad anticipare e reagire correttamente a questi transitori. Infatti, durante la seconda guerra mondiale, Enrico Fermi sospettava l’effetto dello Xe-135, e seguì il consiglio di Emilio Segrè nel contattare il suo studente Chien-Shiung Wu. L’articolo di Wu sullo Xe-135, di prossima pubblicazione, verificò completamente l’ipotesi di Fermi che assorbiva i neutroni e disturbava il reattore B che veniva usato nel loro progetto.

Durante i periodi di funzionamento a regime ad un livello costante di flusso di neutroni, la concentrazione di 135Xe si accumula al suo valore di equilibrio per quella potenza del reattore in circa 40-50 ore. Quando la potenza del reattore viene aumentata, la concentrazione di 135Xe inizialmente diminuisce perché la combustione è aumentata al nuovo livello di potenza superiore. Poiché il 95% della produzione di 135Xe proviene dal decadimento dello iodio-135, che ha un’emivita di 6,57 ore, la produzione di 135Xe rimane costante; a questo punto, la concentrazione di 135Xe raggiunge un minimo. La concentrazione aumenta poi al nuovo livello di equilibrio (più precisamente al livello di stato stazionario) per il nuovo livello di potenza in circa 40-50 ore. Durante le 4-6 ore iniziali che seguono il cambiamento di potenza, la grandezza e il tasso di cambiamento della concentrazione dipendono dal livello di potenza iniziale e dalla quantità di cambiamento del livello di potenza; il cambiamento della concentrazione di 135Xe è maggiore per un cambiamento maggiore del livello di potenza. Quando la potenza del reattore è diminuita, il processo è invertito.

Lo iodio-135 è un prodotto di fissione dell’uranio con un rendimento di circa il 6% (contando anche lo iodio-135 prodotto quasi immediatamente dal decadimento del tellurio-135 prodotto dalla fissione). Questo 135I decade con un’emivita di 6,57 ore in 135Xe. Così, in un reattore nucleare in funzione, il 135Xe viene prodotto continuamente. Il 135Xe ha una sezione trasversale di assorbimento dei neutroni molto grande, quindi nell’ambiente ad alto flusso di neutroni del nucleo di un reattore nucleare, il 135Xe assorbe presto un neutrone e diventa quasi stabile 136Xe. Così, in circa 50 ore, la concentrazione di 135Xe raggiunge l’equilibrio dove la sua creazione per decadimento di 135I è bilanciata dalla sua distruzione per assorbimento di neutroni.

Quando la potenza del reattore è diminuita o spenta inserendo barre di controllo che assorbono neutroni, il flusso di neutroni del reattore è ridotto e l’equilibrio si sposta inizialmente verso una maggiore concentrazione di 135Xe. La concentrazione di 135Xe raggiunge un picco circa 11,1 ore dopo che la potenza del reattore è diminuita. Poiché 135Xe ha un tempo di dimezzamento di 9,2 ore, la concentrazione di 135Xe decade gradualmente a livelli bassi nel corso di 72 ore.

Il livello temporaneamente alto di 135Xe con la sua alta sezione trasversale di assorbimento dei neutroni rende difficile riavviare il reattore per diverse ore. Il 135Xe che assorbe i neutroni agisce come una barra di controllo, riducendo la reattività. L’incapacità di un reattore di essere avviato a causa degli effetti di 135Xe è a volte indicato come xenon-precluded start-up, e il reattore è detto “avvelenato”. Il periodo di tempo in cui il reattore non è in grado di superare gli effetti del 135Xe è chiamato “tempo morto dello xeno”.

Se è disponibile una sufficiente autorità di controllo della reattività, il reattore può essere riavviato, ma il transiente di burn-out dello xeno deve essere attentamente gestito. Quando le barre di controllo vengono estratte e si raggiunge la criticità, il flusso di neutroni aumenta di molti ordini di grandezza e il 135Xe comincia ad assorbire neutroni e ad essere trasmutato in 136Xe. Il reattore brucia il veleno nucleare. Mentre questo accade, la reattività e il flusso di neutroni aumentano, e le barre di controllo devono essere gradualmente reinserite per contrastare la perdita di assorbimento di neutroni da parte del 135Xe. Altrimenti, il flusso di neutroni del reattore continuerà ad aumentare, bruciando ancora più veleno di xeno, in un percorso verso la criticità in fuga. La costante di tempo per questo transitorio di burn-off dipende dal progetto del reattore, dalla storia del livello di potenza del reattore negli ultimi giorni e dalla nuova impostazione della potenza. Per un tipico passaggio dal 50% al 100% della potenza, la concentrazione di 135Xe scende per circa 3 ore.

Non aver previsto e gestito correttamente l’avvelenamento da xeno e compensato il successivo burn-off è stato un fattore che ha contribuito al disastro di Chernobyl; durante un run-down a una potenza inferiore, una combinazione di errore dell’operatore e avvelenamento da xeno ha causato la caduta della potenza termica del reattore a livelli prossimi allo spegnimento. I conseguenti sforzi dell’equipaggio per ripristinare la potenza, compreso il ritiro manuale delle barre di controllo non sotto il controllo automatico del computer SKALA, misero il reattore in una configurazione altamente non sicura. Una procedura SCRAM fallita, con il risultato che le barre di controllo sono state bloccate ad un livello che ha effettivamente aumentato la reattività, ha causato un transitorio termico e un’esplosione di vapore che ha fatto a pezzi il reattore.

I reattori che utilizzano il ritrattamento continuo come molti progetti di reattori a sale fuso potrebbero essere in grado di estrarre 135Xe dal carburante ed evitare questi effetti. I reattori a combustibile fluido non possono sviluppare disomogeneità di xeno perché il combustibile è libero di mescolarsi. Inoltre, il Molten Salt Reactor Experiment ha dimostrato che spruzzare il combustibile liquido come goccioline attraverso uno spazio di gas durante il ricircolo può permettere allo xeno e al krypton di lasciare i sali di combustibile. Tuttavia, la rimozione dello xeno-135 dall’esposizione ai neutroni fa sì che il reattore produca più cesio-135, prodotto di fissione a lunga vita.