控制棒

現(xiàn)在我們來(lái)說(shuō)明為了反應(yīng)堆安全正常運(yùn)行而設(shè)置的控制系統(tǒng)。所謂安全正常運(yùn)行，是指反應(yīng)性隨介質(zhì)溫度、密度和堆內(nèi)吸收中子的毒物的數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，還要保持再生系數(shù)K=1。欲實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通常用控制棒抵消多余的反應(yīng)性，把多余的中子吸收掉。當(dāng)反應(yīng)性減小時(shí)，就把控制棒逐漸拉出堆外，直到完全提出，這時(shí)反應(yīng)堆非裝新料不可。此外，為了在發(fā)生事故時(shí)快速停堆，設(shè)置了安全棒。反應(yīng)性增大時(shí)，安全棒可抑制反應(yīng)性的增加，因?yàn)樗哂泻軓?qiáng)的吸收中子的本領(lǐng)。平時(shí)安全棒被置于堆芯之外，發(fā)生事故時(shí)靠重力或其他外力，在0.1～l秒的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)插入堆芯，將鏈?zhǔn)椒磻?yīng)熄滅，以免造成損壞或危險(xiǎn)。還有，功率保護(hù)電路系統(tǒng)通常在反應(yīng)堆功率超過(guò)設(shè)計(jì)滿功率的10～20%時(shí)，使安全棒動(dòng)作，實(shí)行緊急停堆。

控制棒要求

針對(duì)核電站的危險(xiǎn)，為防事故的發(fā)生，在設(shè)計(jì)中，采取了種種安全措施，其主要出發(fā)點(diǎn)是建立在防止燃料元件的不正常溫度升高和阻止裂變產(chǎn)物大量逸散到環(huán)境中去。如果能做到這兩點(diǎn)，也就保證了核電站的安全。

控制棒具體措施

核電站的四道安全屏障

為了防止放射性物質(zhì)的泄漏，核電站設(shè)置了四道安全屏障。

第一道屏障是核燃料芯塊?，F(xiàn)代反應(yīng)堆廣泛采用耐高溫、耐輻射和耐腐蝕的二氧化鈾陶瓷核燃料。經(jīng)過(guò)燒結(jié)、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(zhì)不使逸出，只有穿透能力較強(qiáng)的中子和γ射線才能輻射出來(lái)。這就大大減少了放射性物質(zhì)的泄漏。

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。由鋯合金或不銹鋼制成的包殼管必須絕對(duì)密封，在長(zhǎng)期運(yùn)行的條件下不使放射性裂變產(chǎn)物逸出，一旦有破損，要能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，采取措施。

第三道屏障是壓力容器和封閉的一回路系統(tǒng)。這屏障足可擋住放射性物質(zhì)外泄。即使堆芯中有1%的核燃料元件發(fā)生破壞，放射性物質(zhì)也不會(huì)從它里面泄漏出來(lái)。

第四道屏障是安全殼廠房。它是阻止放射性物質(zhì)向環(huán)境逸散的最后一道屏障，它一般采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，對(duì)放射性物質(zhì)有很強(qiáng)的防護(hù)作用，萬(wàn)一反應(yīng)堆發(fā)生嚴(yán)重事故，放射性物質(zhì)從堆內(nèi)漏出，由于有安全殼廠房的屏障，對(duì)廠房外的環(huán)境和人員的影響也微乎其微。

控制棒固有安全性

在由于某些原因從外部引入反應(yīng)性，使中子通量增加（核燃料、冷卻劑溫度上升）的情況下，反應(yīng)堆本身具有防止核反應(yīng)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(lái)自反應(yīng)堆本身所具有的負(fù)反應(yīng)性溫度效應(yīng)、空泡效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、氙和釤的積累和核燃料的燃耗等。

反應(yīng)堆內(nèi)各部分溫度升高而再生系數(shù)K變小的現(xiàn)象稱為負(fù)反應(yīng)性溫度效應(yīng)，對(duì)反應(yīng)堆的穩(wěn)定性和安全性起決定作用。

反應(yīng)堆冷卻劑中，特別是在沸水堆中產(chǎn)生的蒸汽泡，隨功率增長(zhǎng)而加大，從而造成相當(dāng)大的負(fù)泡系數(shù)，使反應(yīng)性下降，這個(gè)效應(yīng)叫空泡效應(yīng)，有利于反應(yīng)堆運(yùn)行的安全。多普勒效應(yīng)是指裂變中產(chǎn)生的快中子在慢化過(guò)程中被核燃料吸收的效應(yīng)。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(yīng)是瞬時(shí)的，當(dāng)燃料溫度上升時(shí)，它馬上就起作用。

在裂變產(chǎn)物中積累起來(lái)的氙和釤是對(duì)反應(yīng)堆毒性很大的元素，這兩種元素很容易吸收熱中子，使堆內(nèi)的熱中子減少，反應(yīng)性也下降。

一般說(shuō)來(lái)，反應(yīng)堆長(zhǎng)期運(yùn)行之后，反應(yīng)性要下降，這是由于燃料的燃耗加深而引起的。

以上這些效應(yīng)，一般都有利于反應(yīng)堆運(yùn)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(gè)效應(yīng)是起作用的。第一，由于燃料溫度的上升，鈾－238吸收中子的份額增加，從而使反應(yīng)性有很大的下降（負(fù)反應(yīng)性），是多普勒效應(yīng)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(jī)會(huì)減少，中子慢化效果降低，反應(yīng)性減小，負(fù)反應(yīng)性溫度效應(yīng)起了作用；第三，輕水冷卻劑溫度升高，就產(chǎn)生氣泡，其道理與第二點(diǎn)相同。由于中子泄漏增加，使反應(yīng)性有很大下降，這就是所謂的空泡效應(yīng)。

在氣冷堆的情況下，由于多普勒效應(yīng)的作用，燃料給出了負(fù)的溫度效應(yīng)。另一方面，因?yàn)闅饫涠训墓β拭芏鹊?，石墨的熱容量大，所以?dāng)發(fā)生事故時(shí)，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(duì)反應(yīng)性幾乎也沒(méi)有什么影響，功率仍將繼續(xù)上升，這時(shí)，要靠快停堆系統(tǒng)來(lái)控制。

控制棒工作原理

控制棒是由硼和鎘等易于吸收中子的材料制成的。核反應(yīng)壓力容器外有一套機(jī)械裝置可以 操縱控制棒?？刂瓢敉耆迦敕磻?yīng)中心時(shí)，能夠吸收大量中子，以阻止裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。如果把控制棒拔出一點(diǎn)，反應(yīng)堆就開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度達(dá)到一定的穩(wěn)定值；如果想增加反應(yīng)堆釋放的能量，只需將控制棒再抽出一點(diǎn)，這樣被吸收的中子減少，有更多的中子參與裂變反應(yīng)。要停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，將控制棒完全插入核反應(yīng)中心吸收掉大部分中子即可。

控制棒調(diào)節(jié)速度

那么，核反應(yīng)堆是怎樣調(diào)節(jié)其反應(yīng)速度，以滿足核潛艇等運(yùn)動(dòng)時(shí)快時(shí)慢要求的呢？

根據(jù)核反應(yīng)堆的工作原理，如果改變堆內(nèi)的中子數(shù)和中子密度，就可以改變核反應(yīng)的劇烈程度，從而改變核反應(yīng)堆的功率。核潛艇是用控制棒和化學(xué)控制兩條途徑來(lái)控制核反應(yīng)堆反應(yīng)速度的，從而使核潛艇做到快慢自如。

按照這一原理問(wèn)題就簡(jiǎn)單了，若想使核反應(yīng)堆停堆，只需將控制棒完全插入堆芯中即可。這樣，由于控制棒吸收了大量中子，堆芯就會(huì)由于中子數(shù)量不足而使裂變反應(yīng)難以為繼，核反應(yīng)自然就會(huì)減弱或停止運(yùn)行了。

控制棒終止反應(yīng)

同時(shí)，為了防止核反應(yīng)堆發(fā)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(yīng)堆停堆，此情景在許多電影“大片”中都有演示。例如，當(dāng)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題后，堆芯的溫度就會(huì)由于不能迅速冷卻而升高，這樣，就很可能使核反應(yīng)堆熔化，甚至爆炸。為此，核潛艇反應(yīng)堆艙內(nèi)設(shè)有溫控系統(tǒng)，當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑的溫度超過(guò)允許值時(shí)，溫控系統(tǒng)將信號(hào)傳給控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制棒便會(huì)在幾秒鐘內(nèi)迅速插入堆芯底部，使核反應(yīng)堆停堆。停堆后的核反應(yīng)堆逐漸冷卻，自然就不會(huì)發(fā)生爆炸了。

注意這里的爆炸是由于堆芯溫度過(guò)高，鋯包殼在高溫高壓的環(huán)境下會(huì)與水反應(yīng)生成氫氣，故這里的爆炸是氫氣爆炸而不是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核爆炸。

核反應(yīng)堆的開(kāi)、停和核功率的調(diào)節(jié)都由控制棒控制?？刂瓢魞?nèi)的材料能強(qiáng)烈吸收中子，可以控制反應(yīng)堆內(nèi)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的進(jìn)行?？刂瓢粢步M裝成組件的形式。反應(yīng)堆不運(yùn)行時(shí)，控制棒插在堆芯內(nèi)。開(kāi)堆時(shí)將控制棒提起，運(yùn)行中根據(jù)需要調(diào)節(jié)控制棒的高度。一旦發(fā)生事故，全部控制棒會(huì)自動(dòng)快速下落，使反應(yīng)堆內(nèi)的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)停止。

控制棒核電站與原子彈

核電的安全性究竟怎樣呢？為了解決這個(gè)問(wèn)題，有些國(guó)家的核電站對(duì)外開(kāi)放，組織人們參觀。實(shí)際情況說(shuō)明，核電不但是安全的，而且它的危險(xiǎn)性比其他許多能源都小。

核電站的反應(yīng)堆不會(huì)像原子彈那樣爆炸，它的潛在危險(xiǎn)是強(qiáng)放射性裂變產(chǎn)物的泄漏，造成對(duì)周圍環(huán)境的污染。

原子彈是由高濃度的（大于93%）裂變物質(zhì)鈾－235或钚－239和復(fù)雜而精密的引爆系統(tǒng)所組成的。通過(guò)引爆系統(tǒng)把裂變物質(zhì)壓緊在一起，達(dá)到超臨界體積，于是瞬時(shí)形成劇烈的不受控制的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，在極短時(shí)間內(nèi)，釋放出巨大的核能，產(chǎn)生了核爆炸。而反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和特性與原子彈完全不同，反應(yīng)堆大都采用低濃度裂變物質(zhì)作燃料，而且這些燃料都分散布置在反應(yīng)堆內(nèi)，在任何情況下，都不會(huì)像原子彈那樣將燃料壓緊在一起而發(fā)生核爆炸。而且，反應(yīng)堆有各種安全控制手段，以實(shí)現(xiàn)受控的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。

在設(shè)計(jì)上總是使反應(yīng)堆具有自穩(wěn)定特性，即當(dāng)核能意外釋放太快，堆芯溫度上升太高時(shí)，鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)就會(huì)自行減弱乃至停止。核電站不會(huì)像原子彈爆炸，核燃料中的有效成分是鈾－235，鈾－235同樣也是原子彈中的核炸藥，那么核電站會(huì)不會(huì)像原子彈那樣爆炸呢？不必?fù)?dān)心，絕沒(méi)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(dá)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(diǎn)燃，而啤酒則因酒精含量低卻不能點(diǎn)燃一樣。

控制棒切爾諾貝利事故事件起因

關(guān)于事故的起因，官方有兩個(gè)互相矛盾的理論。第一個(gè)是在1986年8月公布，有效地令事故的指責(zé)只歸于核電站操作員。第二個(gè)則是發(fā)布于1991年，認(rèn)為事故由于壓力管式石墨慢化沸水反應(yīng)堆（簡(jiǎn)稱RMBK）的設(shè)計(jì)缺陷引致，尤其是控制棒的設(shè)計(jì)。雙方的調(diào)查團(tuán)都被多方面游說(shuō)，包括反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者、切爾諾貝利核電站職員及政府?，F(xiàn)在一些獨(dú)立的專家相信兩個(gè)理論都并非完全正確。

另一個(gè)促成事故發(fā)生的重要因素是職員并沒(méi)有收到反應(yīng)堆問(wèn)題報(bào)告的事實(shí)。根據(jù)Anatoli·Dyatlov---一名職員所述，設(shè)計(jì)者知道反應(yīng)堆在某些情況下會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)，但將其蓄意隱瞞。（造成這情況是因?yàn)閺S房主管廣泛地吹噓未有RMBK資格員工：廠長(zhǎng)V.P. Bryukhanov，具有燃煤發(fā)電廠的訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)。他的總工程師Nikolai Fomin亦是來(lái)自一個(gè)常規(guī)能源廠。Anatoli Dyatlov, 3號(hào)和4號(hào)反應(yīng)堆的副總工程師只有“一些小反應(yīng)堆的經(jīng)驗(yàn)”，VVER反應(yīng)堆的小版本即蘇聯(lián)海軍的核潛艇的設(shè)計(jì)。）

在細(xì)節(jié)中，

⊕反應(yīng)器有一個(gè)危險(xiǎn)高正面空系數(shù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這意味著如果蒸汽氣泡形成在反應(yīng)器冷卻劑中，核反應(yīng)加速，如果沒(méi)有其它干預(yù)，將會(huì)導(dǎo)致逃亡反應(yīng)。更壞的話，在低功率輸出，這個(gè)其它因素未補(bǔ)償正面空系數(shù)，會(huì)使反應(yīng)器不穩(wěn)定和危險(xiǎn)。反應(yīng)器在低功率的危險(xiǎn)對(duì)工作人員是與預(yù)計(jì)相反和未知數(shù)。

⊕反應(yīng)器的一個(gè)更加重大的缺陷是在控制棒的設(shè)計(jì)。在一個(gè)核反應(yīng)堆，控制棒被插入反應(yīng)堆以減慢核反應(yīng)。但是，在RBMK反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，控制棒部分是空心的；當(dāng)控制標(biāo)尺被插入時(shí)，最初的數(shù)秒鐘冷卻劑被控制棒的空心外殼偏移了。因?yàn)槔鋮s劑（水）是中子吸收體，反應(yīng)堆的輸出功率實(shí)際上上升。這情況也是與預(yù)計(jì)相反，而反應(yīng)堆操作員亦不知情。

⊕操作員粗心大意并違犯了規(guī)程，部分是由于他們未察覺(jué)反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)缺陷。一些程序的不規(guī)則促成了事故發(fā)生。另一原因是安全干事和負(fù)責(zé)該夜實(shí)驗(yàn)操作員之間的通訊不足。

重要注意的一點(diǎn)，是操作員關(guān)上了許多反應(yīng)堆的安全系統(tǒng)，除非安全系統(tǒng)發(fā)生故障，否則這是技術(shù)指南所禁止的。1986年8月出版的政府調(diào)查委員會(huì)報(bào)告，操作員從反應(yīng)堆核心至少拿去了204支控制棒（這類型的反應(yīng)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(shí)在核心區(qū)域使用少于15支控制棒。

壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一部分，連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制棒之間的套筒。

本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目 審核 。

壓水堆控制棒組件地落在燃料組件的上管座上。落棒時(shí)間應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。為確?？刂瓢粼趯?dǎo)向管內(nèi)的導(dǎo)向，當(dāng)控制棒組件全部抽出時(shí)，控制棒下端仍留在導(dǎo)向管內(nèi)。這種控制棒組件的優(yōu)點(diǎn)是控制棒均勻分散分布，因而使嫩料組件內(nèi)中子注量率分布更為均勻，控制效率更高。一組控制棒插人反應(yīng)堆前和插入反應(yīng)堆后的反應(yīng)堆有效增殖系數(shù)之差，稱為該組控制棒反應(yīng)性價(jià)值。對(duì)于壓水堆，各控制棒組的總的反應(yīng)性價(jià)值一般約為7寫一10%?？刂瓢糁凶游阵w材料除了采用Ag一In一Cd合金外，亦可采用Hf和B4C。yoshu一du一kongzh一bongzuj一on壓水堆控制棒組件(eontrolredassemblyforPWR)亦稱棒束控制組件(rodelustereontrolassembly)，用于反應(yīng)堆起動(dòng)、停堆和調(diào)整功率以補(bǔ)償反應(yīng)堆反應(yīng)性快速變化的控制部件。典型的控制棒組件見(jiàn)圖。它由一個(gè)連接柄和20根控制棒組成。連接柄是一個(gè)帶有16根徑向翼的中心筒結(jié)構(gòu)，中心筒上部?jī)?nèi)孔帶有溝槽，用以連接驅(qū)動(dòng)軸下端的可拆芯桿。中心筒下部?jī)?nèi)孔裝有組合彈簧，用以吸收控制棒快插達(dá)到行程末端時(shí)的沖擊能?？刂瓢粲蓨W氏體不銹鋼包殼、中子吸收體及上下端塞組成。下端塞做成彈頭形，以便在快速落棒時(shí)減少水的阻力;上端塞帶有縮頸，使控制捧具有更好的柔性以適應(yīng)工作或裝配錯(cuò)位。中子吸收體材料為80%Ag一15%In、5?合金。該合金具有高的超熱中子吸收性能和相當(dāng)高的熱中子吸收性能，是一種比較理想的中子吸收材料。在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，控制棒組件由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)作上下運(yùn)動(dòng)。在緊急停堆時(shí)，控制棒組件連同驅(qū)動(dòng)軸依靠重力快速下降，在通過(guò)導(dǎo)向管緩沖段后，控制棒組件就平穩(wěn)螺桿向妞獷比卜彩的礴歸扮盯監(jiān)甲^、、‘六歲公一匕協(xié)︺冷了護(hù).緩沖彈黃級(jí)沖彈資接柄導(dǎo)向螺母彈贊座控制棒吸收體拄制棒組件。