控制棒

日期：2023-09-26 01:25

控制棒用于核反应堆以控制核燃料（铀或钚）的裂变速率。它们的成分包括硼、镉、银、铪或铟等化学元素，这些元素能够吸收许多中子而不会自行衰变。这些元素对于各种能量的中子具有不同的中子俘获截面。沸水反应堆 (BWR)、压水反应堆 (PWR) 和重水反应堆 (HWR) 使用热中子运行，而增殖反应堆使用快中子运行。每个反应堆设计都可以根据其中子的能谱使用不同的控制棒材料。控制棒已被用于核飞机发动机，如冥王星计划，作为一种控制方法。

控制杆被插入核反应堆的核心并进行调整，以控制核链式反应的速率，从而控制反应堆的热功率输出、蒸汽产生速率和电功率输出发电厂。

插入的控制棒的数量和它们插入的距离强烈影响反应堆的反应性。当反应性（作为有效中子倍增因子）高于 1 时，核连锁反应的速率随时间呈指数增长。当反应性低于 1 时，反应速率随时间呈指数下降。当所有控制棒都完全插入时，它们的反应性将保持在略高于 0 的水平，这会迅速使正在运行的反应堆减速至停止并保持停止状态（处于关闭状态）。如果所有控制棒都被完全移除，反应性会明显高于 1，并且反应堆会迅速变得越来越热，直到某些其他因素（例如温度反应性反馈）减慢反应速率。保持恒定的功率输出需要保持长期平均中子倍增因子接近 1。

一个新的反应堆已组装好，其控制棒已完全插入。控制棒从核心部分移除，以允许核连锁反应启动并增加到所需的功率水平。中子通量可以测量，并且大致与反应速率和功率水平成正比。为了增加功率输出，将一些控制棒拉出一小段距离。为了降低功率输出，将一些控制棒推入一小段距离。其他几个因素会影响反应性；为了补偿它们，自动控制系统会根据某些反应堆的需要调整控制棒的进出量。每个控制棒对反应堆的某些部分的影响大于其他部分；可以对燃料分配进行计算调整，以在堆芯的不同部分保持相似的反应速率和温度。

欧洲加压反应堆或高级 CANDU 反应堆等现代反应堆的典型停堆时间为 2 秒，减少 90%，受衰变热限制。

控制棒通常用于控制棒组件（商业 PWR 组件通常有 20 根棒）并插入燃料元件内的导管中。控制杆通常在核心内垂直站立。在 PWR 中，它们是从上方插入的，控制棒驱动机构安装在反应堆压力容器头部。在沸水反应堆中，由于堆芯上方需要蒸汽干燥器，这种设计需要从下方插入控制棒。

具有有用的高中子俘获截面的化学元素包括银、铟和镉。其他候选元素包括硼、钴、铪、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。也可以使用合金或化合物，例如高硼钢、银-铟-镉合金、碳化硼、二硼化锆、二硼化钛、二硼化铪、硝酸钆、钛酸钆、钛酸镝和碳化硼-六硼化铕复合物 .