Az atomreaktorokat úgy tervezték, hogy a hasadási folyamat bármely adott időpontban stabil egyensúlyban legyen a reaktivitást befolyásoló paraméterek kis változásai tekintetében (lásd a neutronsokszorozó tényezőt ). Például amikor a vezérlőrudat kihúzzák a reaktorból , a neutronsokszorozó tényező nagyobb lesz, mint egység, ami az összes többi paraméter változatlansága mellett a nukleáris reakciósebesség exponenciális növekedéséhez vezet τ = karakterisztikus neutronciklus-idő mellett. 10-3 s termikus neutronreaktorok esetén τ = 10-8 s gyorsneutronreaktorok esetén . A nukleáris reakció sebességének növekedésével azonban a reaktor hőteljesítménye növekszik, aminek következtében a nukleáris üzemanyag hőmérséklete nő, ami a neutronbefogás keresztmetszetének csökkenéséhez vezet , és viszont a magreakció sebességének csökkenéséhez. Így a nukleáris reakció sebességének véletlenszerű növekedése kialszik, és a vezérlőrudak mozgása vagy más paraméterek lassú változása miatt a reaktor teljesítményének kvázi-stacionárius változásához vezet, nem pedig a reaktor teljesítményének kialakulásához. egy robbanás. A leírt minta az egyik fizikai oka a reakcióképesség negatív teljesítménytényezőjének .
Az atomreaktor biztonságos szabályozásához elengedhetetlen, hogy minden reaktivitási együttható negatív legyen. Ha legalább egy reaktivitási együttható pozitív, akkor a reaktor működése instabillá válik, és ennek az instabilitásnak a kifejlődési ideje olyan rövid lehet, hogy az atomreaktor aktív vészvédelmi rendszereinek nincs ideje működni. Az elemzés különösen azt mutatta, hogy az RBMK -1000 reaktor pozitív gőz reaktivitási együtthatója a csernobili baleset egyik oka lett .
A kívánt ideig álló üzemmódban működő reaktor matematikai absztrakció . Valójában a reaktorban lezajló folyamatok a közeg tenyésztési tulajdonságainak romlását okozzák, és a reaktivitás -helyreállító mechanizmus nélkül a reaktor hosszú ideig nem működhetne. A neutronok keringése a reaktorban magában foglalja a hasadás folyamatát; minden hasadási esemény a hasadóanyag egy atomjának elvesztését jelenti , és ezáltal k 0 csökkenését . Igaz, a hasadó atomok részben helyreállnak a 238 U atommagok felesleges neutronjainak abszorpciója miatt 239 Pu képződésével . Az új hasadóanyag felhalmozódása azonban általában nem kompenzálja a hasadó atomok elvesztését, a reakcióképesség csökken. Ezenkívül minden egyes hasadási eseményt két új atom megjelenése kísér, amelyek magjai , mint minden más atommag, elnyelik a neutronokat. A hasadási termékek felhalmozódása szintén csökkenti a reakciókészséget (lásd: jódgödör ). A reaktivitás csökkenését a reaktor hőmérsékletének kvázi-stacionárius csökkenése kompenzálja (a neutronbefogás keresztmetszet ennek megfelelő növekedése kompenzálja a reaktivitás csökkenését, és visszaállítja a reaktort kritikus állapotba). Az erőreaktorok aktív zónáit azonban a lehető legmagasabb (tervezési) hőmérsékletre kell fűteni, hiszen a hőmotor hatásfokát végső soron a hőforrás és a hűtő – a környezet – hőmérsékletkülönbsége határozza meg. Ezért vezérlőrendszerekre van szükség a reakcióképesség helyreállításához és a tervezett teljesítmény és maghőmérséklet fenntartásához.
A vezérlőrendszert először az F-1- es blokkon fejlesztették ki és alkalmazták .
Egy atomreaktor csak akkor tud sokáig működni adott teljesítménnyel , ha a működés kezdetén reaktivitási ráhagyással rendelkezik. Ez alól kivételt képeznek a külső hőneutronforrással rendelkező szubkritikus reaktorok . A természetes okok miatt csökkenő kötött reaktivitás felszabadulása biztosítja a reaktor kritikus állapotának fenntartását működésének minden pillanatában. A kezdeti reaktivitási ráhagyást egy olyan mag felépítésével hozzák létre, amelynek méretei jóval nagyobbak a kritikus méreteknél. A reaktor szuperkritikussá válásának megakadályozása érdekében a tenyésztőközeg k 0 értékét egyidejűleg mesterségesen csökkentik . Ezt úgy érik el, hogy a magba neutronelnyelőket vezetnek be, amelyek ezt követően eltávolíthatók a magból. Csakúgy, mint a láncreakciót szabályozó elemekben , az abszorbens anyagok az egyik vagy olyan keresztmetszetű rudak anyagának részét képezik, amelyek a mag megfelelő csatornái mentén mozognak. De ha egy, kettő vagy több rúd elegendő a szabályozáshoz, akkor a rudak száma elérheti a százat, hogy kompenzálja a kezdeti reakcióképesség-többletet. Ezeket a rudakat kompenzálónak nevezik. A szabályozó és kiegyenlítő rudak nem feltétlenül különböző szerkezeti elemek. Számos kiegyenlítő rúd lehet vezérlőrúd, de mindkettő funkciója eltérő. A vezérlőrudakat úgy tervezték, hogy bármikor kritikus állapotot tartsanak fenn, leállítsák, beindítsák a reaktort, átkapcsoljanak egyik teljesítményszintről a másikra. Mindezek a műveletek kis reakcióképességi változtatásokat igényelnek. A kiegyenlítő rudakat fokozatosan vonják ki a reaktormagból, biztosítva a kritikus állapotot a teljes működési ideje alatt.
Néha a vezérlőrudak nem abszorbens anyagokból készülnek, hanem hasadó vagy szóróanyagból. A termikus reaktorokban ezek túlnyomórészt neutronelnyelők, míg nincs hatékony gyors neutronelnyelő . Az olyan abszorberek, mint a kadmium , a hafnium és mások , az első rezonancia hőtartományhoz való közelsége miatt erősen csak a termikus neutronokat nyeli el , és az utóbbin kívül elnyelő tulajdonságaikban nem különböznek más anyagoktól. Kivételt képez a bór , amelynek neutronelnyelési keresztmetszete az l / v törvény szerint sokkal lassabban csökken az energiával, mint a jelzett anyagoké . Ezért a bór elnyeli a gyors neutronokat, bár gyengén, de valamivel jobban, mint más anyagok. A gyorsneutronos reaktorokban abszorbens anyagként csak a bór szolgálhat, ha lehetséges 10 V-os izotóppal dúsítva . A hasadóanyagból készült kiegyenlítő rúd ugyanazt a funkciót látja el, mint a neutronelnyelő rúd: természetes csökkenésével növeli a reaktor reakcióképességét. Az abszorbertől eltérően azonban egy ilyen rúd a zónán kívül helyezkedik el a reaktor működésének kezdetén, majd bevezetik a zónába. A gyorsreaktorok szóróanyagai közül nikkelt használnak , amelynek a gyorsneutronok szórási keresztmetszete valamivel nagyobb, mint más anyagok keresztmetszete. A szórórudak a mag kerülete mentén helyezkednek el, és a megfelelő csatornába való bemerülésük a magból történő neutronszivárgás csökkenését és ennek következtében a reaktivitás növekedését okozza. Egyes speciális esetekben a láncreakció szabályozásának célja a neutronreflektorok mozgó részei, amelyek mozgásuk során megváltoztatják a neutronok magból való kiszivárgását. A vezérlő-, kiegyenlítő- és vészrúd a normál működésüket biztosító összes berendezéssel együtt alkotják a reaktorvezérlő és védelmi rendszert (CPS).
A láncreakció előre nem látható katasztrofális kifejlődése, valamint a zónában az energiafelszabaduláshoz kapcsolódó egyéb vészhelyzeti módok előfordulása esetén minden reaktor rendelkezik a láncreakció vészhelyzeti leállításáról, amelyet a különleges vészhelyzet eldobásával hajtanak végre. rudakat vagy biztonsági rudakat a magba. A vészrudak neutronelnyelő anyagból készülnek. A gravitáció hatására a zóna középső részébe ürülnek, ahol a legnagyobb az áramlás, és ennélfogva a legnagyobb a rúd által a reaktorba bevitt negatív reaktivitás. Általában kettő vagy több biztonsági rúd van, valamint szabályozók is, azonban a szabályozókkal ellentétben ezeknek a lehető legnagyobb reaktivitást kell összekapcsolniuk. A biztonsági rudak funkcióját a kiegyenlítő rudak egy része is elláthatja.