反应性及其控制方式

反应性

​ 反应性是表征链式核反应系统偏离临界程度的一个参数，可定量的表示为：

$$\rho = 1-\frac{1}{k_{eff}}$$

式中，$k_{eff}$表示有效增值因子，常用六因子公式计算。

​ 为了启动反应堆以及将反应堆控制在一个适当的功率水平，必须使$\rho > 0$，当功率水平达到规定水平时，调节并保持$\rho = 0$，停堆时则必须保持$\rho < 0$。

反应性控制的主要任务

• 在确保安全的前提下，采取各种切实有效的控制方式控制反应堆剩余反应性，以满足反应堆长期运行的需要。
• 通过控制毒物适当的空间布置和最佳的提棒方式，使反应堆在整个堆芯寿期内保持较平坦的功率分布，使功率峰因子尽可能的小。
• 在外界负荷变化时，能调节反应堆功率，以适应外负荷变化。
• 在反应堆出现事故时，能迅速安全地停堆，并保持适当的停堆深度。

反应性控制

• 紧急控制
  • 反应堆需要紧急停堆时，反应堆控制系统能够引入一个很大的负反应性。以快速停堆达到一定的停堆深度要求紧急停堆系统有极高的可靠性，以确保反应堆安全。
• 功率调节
  • 当外界负荷或者堆芯温度变化时，反应堆控制系统能够引入一个适当的反应性，以满足功率调节的需要。在操作上要求简单、灵活。
• 补偿控制
  • 由于动力堆的剩余反应性比较大，在堆芯寿期初。在堆芯中引入较多的控制毒物，随着反应堆的运行剩余反应性不断减小，为了保持反应堆稳定运行，必须逐渐从堆芯移出相应的控制毒物。由于这些反应性的变化很缓慢，因此相应控制毒物的移动也很缓慢。

反应性控制方式

• 控制棒
  • 控制棒是由热中子和超热中子吸收截面大的物质组成。是中子的强吸收体，通过驱动机构使控制棒插入或抽出堆芯。改变堆内中子的非裂变吸收和泄露量来控制反应性。控制棒的特点是移动速度快，操作可靠，使用灵活，控制反应性的准确度，是反应堆紧急控制和功率调节不可缺少的控制部件。主要用来控制反应性的快变化。
• 固体可燃毒物
  • 为了减少控制棒的数量，在新堆中按一定分布插入棚钢管等可燃毒物。棚钢管的中子吸收能力强。随反应堆燃耗加深而明显降低。这种补偿不需要外部控制。在反应堆中合理的分布固体可燃毒物。既减少控制棒的数量，还有利于展平堆内中子通量密度分布，提高反应堆的允许功率运行延长堆芯寿期。反应堆内的固体可燃毒物一旦放置好就不能随意改变。只能补偿变化缓慢的反应性，因此这种方法不能单独使用，只能作为一种辅助的控制方法。
• 硼酸溶液
  • 硼酸的热中子吸收截面较大，通过向反应堆冷却剂中添加一定浓度的硼酸，可以用来补偿慢的反应性变化。
  • 向冷却剂中添加硼酸溶液，只要混合均匀不会引起对新功率分布的畸变。但是硼酸浓度会对慢化剂温度系数产生显著影响。当冷却剂中的硼酸浓度超过某一值时，慢化剂温度系数出现正值，使反应堆的自稳自调特性丧失，不利于反应堆的安全运行。
  • 在功率运行过程中，冷却剂中的硼酸浓度，根据运行需要可能随时调整，必须设置专门的系统来完成这一功能。船舶核动力装置由于空间限制以及机动性要求，一般不采用这种方式控制反应性。