控制棒

為了控制鏈式反應的速率在一個預定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，稱之為控制棒和安全棒。控制棒用來補償燃料消耗和調節反應速率；安全棒用來快速停止鏈式反應。吸收體材料一般是硼、碳化硼、鎘、銀銦鎘等。 冷卻系統中的冷卻劑：為了將裂變的熱導出來，反應堆必須有冷卻劑，常用的冷卻劑有輕水、重水、氦和液態金屬鈉等。

基本介紹

• 中文名：控制棒
• 用途：補償燃料消耗
• 材料構成：硼和鎘
• 套用領域：核研究

簡介

工作原理

控制棒是由硼和鎘等易於吸收中子的材料製成的。核反應壓力容器外有一套機械裝置可以 操縱控制棒。控制棒完全插入反應中心時，能夠吸收大量中子，以阻止裂變鏈式反應的進行。如果把控制棒拔出一點，反應堆就開始運轉，鏈式反應的速度達到一定的穩定值；如果想增加反應堆釋放的能量，只需將控制棒再抽出一點，這樣被吸收的中子減少，有更多的中子參與裂變反應。要停止鏈式反應的進行，將控制棒完全插入核反應中心吸收掉大部分中子即可。

控制棒

調節速度

那么，核反應堆是怎樣調節其反應速度，以滿足核潛艇等運動時快時慢要求的呢？

根據核反應堆的工作原理，如果改變堆內的中子數和中子密度，就可以改變核反應的劇烈程度，從而改變核反應堆的功率。核潛艇是用控制棒和化學控制兩條途徑來控制核反應堆反應速度的，從而使核潛艇做到快慢自如。

按照這一原理問題就簡單了，若想使核反應堆停堆，只需將控制棒完全插入堆芯中即可。這樣，由於控制棒吸收了大量中子，堆芯就會由於中子數量不足而使裂變反應難以為繼，核反應自然就會減弱或停止運行了。

終止反應

同時，為了防止核反應堆發生爆炸，核潛艇的控制棒在緊急情況下能夠迅速插入堆芯底部，使核反應堆停堆，此情景在許多電影“大片”中都有演示。例如，當冷卻系統出現問題後，堆芯的溫度就會由於不能迅速冷卻而升高，這樣，就很可能使核反應堆熔化，甚至爆炸。為此，核潛艇反應堆艙內設有溫控系統，當反應堆冷卻劑的溫度超過允許值時，溫控系統將信號傳給控制棒驅動機構，控制棒便會在幾秒鐘內迅速插入堆芯底部，使核反應堆停堆。停堆後的核反應堆逐漸冷卻，自然就不會發生爆炸了。

注意這裡的爆炸是由於堆芯溫度過高，鋯包殼在高溫高壓的環境下會與水反應生成氫氣，故這裡的爆炸是氫氣爆炸而不是鏈式反應的核爆炸。

組件

核反應堆的開、停和核功率的調節都由控制棒控制。控制棒內的材料能強烈吸收中子，可以控制反應堆內鏈式裂變反應的進行。控制棒也組裝成組件的形式。反應堆不運行時，控制棒插在堆芯內。開堆時將控制棒提起，運行中根據需要調節控制棒的高度。一旦發生事故，全部控制棒會自動快速下落，使反應堆內的鏈式裂變反應停止。

控制棒

核反應堆

現在我們來說明為了反應堆安全正常運行而設定的控制系統。所謂安全正常運行，是指反應性隨介質溫度、密度和堆內吸收中子的毒物的數量發生變化時，還要保持再生係數K=1。欲實現這一點，通常用控制棒抵消多餘的反應性，把多餘的中子吸收掉。當反應性減小時，就把控制棒逐漸拉出堆外，直到完全提出，這時反應堆非裝新料不可。此外，為了在發生事故時快速停堆，設定了安全棒。反應性增大時，安全棒可抑制反應性的增加，因為它具有很強的吸收中子的本領。平時安全棒被置於堆芯之外，發生事故時靠重力或其他外力，在0.1～l秒的時間內自動插入堆芯，將鏈式反應熄滅，以免造成損壞或危險。還有，功率保護電路系統通常在反應堆功率超過設計滿功率的10～20%時，使安全棒動作，實行緊急停堆。

控制棒

安全控制

要求

針對核電站的危險，為防事故的發生，在設計中，採取了種種安全措施，其主要出發點是建立在防止燃料元件的不正常溫度升高和阻止裂變產物大量逸散到環境中去。如果能做到這兩點，也就保證了核電站的安全。

具體措施

核電站的四道安全螢幕障

為了防止放射性物質的泄漏，核電站設定了四道安全螢幕障。

第一道屏障是核燃料芯塊。現代反應堆廣泛採用耐高溫、耐輻射和耐腐蝕的二氧化鈾陶瓷核燃料。經過燒結、磨光的這些陶瓷型的核燃料芯塊能保留住98%以上的放射性裂變物質不使逸出，只有穿透能力較強的中子和γ射線才能輻射出來。這就大大減少了放射性物質的泄漏。

控制棒

第二道屏障是鋯合金包殼管。二氧化鈾陶瓷芯塊被裝入包殼管，疊成柱體，組成了燃料棒。由鋯合金或不鏽鋼製成的包殼管必須絕對密封，在長期運行的條件下不使放射性裂變產物逸出，一旦有破損，要能及時發現，採取措施。

第三道屏障是壓力容器和封閉的一迴路系統。這屏障足可擋住放射性物質外泄。即使堆芯中有1%的核燃料元件發生破壞，放射性物質也不會從它裡面泄漏出來。

第四道屏障是安全殼廠房。它是阻止放射性物質向環境逸散的最後一道屏障，它一般採用雙層殼體結構，對放射性物質有很強的防護作用，萬一反應堆發生嚴重事故，放射性物質從堆內漏出，由於有安全殼廠房的屏障，對廠房外的環境和人員的影響也微乎其微。

固有安全性

在由於某些原因從外部引入反應性，使中子通量增加（核燃料、冷卻劑溫度上升）的情況下，反應堆本身具有防止核反應失控的工作特性。我們稱這種特性為固有的安全性。固有特性來自反應堆本身所具有的負反應性溫度效應、空泡效應、都卜勒效應、氙和釤的積累和核燃料的燃耗等。

反應堆內各部分溫度升高而再生係數K變小的現象稱為負反應性溫度效應，對反應堆的穩定性和安全性起決定作用。

反應堆冷卻劑中，特別是在沸水堆中產生的蒸汽泡，隨功率增長而加大，從而造成相當大的負泡係數，使反應性下降，這個效應叫空泡效應，有利於反應堆運行的安全。都卜勒效應是指裂變中產生的快中子在慢化過程中被核燃料吸收的效應。它隨燃料本身的溫度變化而有很大的變化。特別重要的是這種效應是瞬時的，當燃料溫度上升時，它馬上就起作用。

在裂變產物中積累起來的氙和釤是對反應堆毒性很大的元素，這兩種元素很容易吸收熱中子，使堆內的熱中子減少，反應性也下降。

一般說來，反應堆長期運行之後，反應性要下降，這是由於燃料的燃耗加深而引起的。

以上這些效應，一般都有利於反應堆運行的安全，但在一定的條件下，也有不利的一面。在輕水堆情況下，有三個效應是起作用的。第一，由於燃料溫度的上升，鈾－238吸收中子的份額增加，從而使反應性有很大的下降（負反應性），是都卜勒效應起了作用；第二，輕水慢化劑溫度升高，其密度變小，中子與慢化劑碰撞的機會減少，中子慢化效果降低，反應性減小，負反應性溫度效應起了作用；第三，輕水冷卻劑溫度升高，就產生氣泡，其道理與第二點相同。由於中子泄漏增加，使反應性有很大下降，這就是所謂的空泡效應。

控制棒

在氣冷堆的情況下，由於都卜勒效應的作用，燃料給出了負的溫度效應。另一方面，因為氣冷堆的功率密度低，石墨的熱容量大，所以當發生事故時，堆芯溫度上升慢，二氧化碳冷卻劑的密度低，即使在冷卻劑喪失的情況下，對反應性幾乎也沒有什麼影響，功率仍將繼續上升，這時，要靠快停堆系統來控制。

相關問題

核電站與核子彈

核電的安全性究竟怎樣呢？為了解決這個問題，有些國家的核電站對外開放，組織人們參觀。實際情況說明，核電不但是安全的，而且它的危險性比其他許多能源都小。

控制棒

核電站的反應堆不會像核子彈那樣爆炸，它的潛在危險是強放射性裂變產物的泄漏，造成對周圍環境的污染。

核子彈是由高濃度的（大於93%）裂變物質鈾－235或鈽－239和複雜而精密的引爆系統所組成的。通過引爆系統把裂變物質壓緊在一起，達到超臨界體積，於是瞬時形成劇烈的不受控制的鏈式裂變反應，在極短時間內，釋放出巨大的核能，產生了核爆炸。而反應堆的結構和特性與核子彈完全不同，反應堆大都採用低濃度裂變物質作燃料，而且這些燃料都分散布置在反應堆內，在任何情況下，都不會像核子彈那樣將燃料壓緊在一起而發生核爆炸。而且，反應堆有各種安全控制手段，以實現受控的鏈式裂變反應。

在設計上總是使反應堆具有自穩定特性，即當核能意外釋放太快，堆芯溫度上升太高時，鏈式裂變反應就會自行減弱乃至停止。核電站不會像核子彈爆炸，核燃料中的有效成分是鈾－235，鈾－235同樣也是核子彈中的核炸藥，那么核電站會不會像核子彈那樣爆炸呢？不必擔心，絕沒有這種可能性！核燃料中鈾－235的含量約為3%，而核炸藥中鈾－235含量高達90%以上。核燃料引不起核爆炸，正像啤酒和白酒都含有酒精，白酒因酒精含量高可以點燃，而啤酒則因酒精含量低卻不能點燃一樣。

車諾比事故事件起因

關於事故的起因，官方有兩個互相矛盾的理論。第一個是在1986年8月公布，有效地令事故的指責只歸於核電站操作員。第二個則是發布於1991年，認為事故由於壓力管式石墨慢化沸水反應堆（簡稱RMBK）的設計缺陷引致，尤其是控制棒的設計。雙方的調查團都被多方面遊說，包括反應堆設計者、車諾比核電站職員及政府。現在一些獨立的專家相信兩個理論都並非完全正確。

另一個促成事故發生的重要因素是職員並沒有收到反應堆問題報告的事實。根據Anatoli·Dyatlov---一名職員所述，設計者知道反應堆在某些情況下會出現危險，但將其蓄意隱瞞。（造成這情況是因為廠房主管廣泛地吹噓未有RMBK資格員工：廠長V.P. Bryukhanov，具有燃煤發電廠的訓練和經驗。他的總工程師Nikolai Fomin亦是來自一個常規能源廠。Anatoli Dyatlov, 3號和4號反應堆的副總工程師只有“一些小反應堆的經驗”，VVER反應堆的小版本即蘇聯海軍的核潛艇的設計。）

控制棒

在細節中，

⊕反應器有一個危險高正面空係數。簡單地說，這意味著如果蒸汽氣泡形成在反應器冷卻劑中，核反應加速，如果沒有其它干預，將會導致逃亡反應。更壞的話，在低功率輸出，這個其它因素未補償正面空係數，會使反應器不穩定和危險。反應器在低功率的危險對工作人員是與預計相反和未知數。

⊕反應器的一個更加重大的缺陷是在控制棒的設計。在一個核反應堆，控制棒被插入反應堆以減慢核反應。但是，在RBMK反應堆設計，控制棒部分是空心的；當控制標尺被插入時，最初的數秒鐘冷卻劑被控制棒的空心外殼偏移了。因為冷卻劑（水）是中子吸收體，反應堆的輸出功率實際上上升。這情況也是與預計相反，而反應堆操作員亦不知情。

⊕操作員粗心大意並違犯了規程，部分是由於他們未察覺反應堆的設計缺陷。一些程式的不規則促成了事故發生。另一原因是安全乾事和負責該夜實驗操作員之間的通訊不足。

重要注意的一點，是操作員關上了許多反應堆的安全系統，除非安全系統發生故障，否則這是技術指南所禁止的。1986年8月出版的政府調查委員會報告，操作員從反應堆核心至少拿去了204支控制棒（這類型的反應堆共需要211支），留下七支。同樣指南（上文提及）是禁止RBMK-1000操作時在核心區域使用少於15支控制棒。