控制棒

壓水堆控制棒

控制棒（Control rod）是核反應堆中用於控制核裂變速率的設備，壓水堆的控制棒使用銀-銦-鎘合金等可以吸收中子的材料製成。控制棒的設計必須和反應堆類型相適應，例如在壓水堆和石墨堆中需要使用能吸收熱中子的材料，在快速增殖堆中要使用吸收快速中子的材料。

工作原理

在鏈式反應中，由於每次核裂變釋放出的中子數量大於一個，因此若對鏈式反應不加以控制，同時發生的核裂變量目將在極短時間內以幾何級數形式增長。若聚集在一起的重核原子足夠多，將會瞬間釋放大量的能量。如果不加以控制，反應堆可能會發生反應堆熔毀的事故。反應堆中有專門的設備收放控制棒，控制棒在一定情況下可以手動收放。控制控制棒與反應棒之間的相對距離，即控制棒的吸收面積，可以控制反應堆的反應速率。

材料選擇

組成控制棒的化學元素需要有足夠高的中子俘獲截面，例如銀、銦和鎘，其他候選元素包括硼、鈷、鉿、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿和鎦，或其合金及化合物，例如：高硼鋼、銀銦鎘合金、碳化硼、二硼化鋯、二硼化鈦、二硼化鉿、硝酸釓、鈦酸釓、鈦酸鏑和碳化硼-六硼化銪複合物。

影響材料的選擇的因素有反應堆中的中子能量，和所需的機械性能和使用壽命。這些中子吸收材料可以以顆粒或粉末填充在不鏽鋼管中。在中子輻射可能導致控制棒的變形，導致其過早更換。裂變產生的放射性同位素也影響控制棒的壽命。

銀銦鎘合金一般由80％銀，15％銦和5％鎘組成，是一種常見的壓水堆控制棒,由於可以吸收不同能量的中子，這種合金具有優秀的中子吸收能力，具有良好的機械強度，可以被很容易地製造，但必須採用不鏽鋼外殼，以防止熱水腐蝕。

硼是另一種良好的中子吸收劑，相比於¹¹B，¹⁰B更常用於控制棒中。硼的中子吸收譜很廣，利於對中子的吸收，但是硼單質的機械性能不好，高硼鋼鐵和碳化硼更常見於控制棒的製造。

鉿可以很好地減速和冷卻中子。它具有優良的機械強度，可以被很容易製造，而且耐熱水腐蝕。鉿可與少量其他元素組成合金，如錫和氧可提高拉伸強度和蠕變強度，鐵、鉻和鈮可提高耐腐蝕性，鉬可以提高耐磨性、硬度。美國海軍所擁有反應堆使用鉿，但其高成本限制其在民用反應堆使用。

鈦酸鏑是一種目前正在進行實驗新材料。鈦酸鏑與銀銦鎘合金相比有更高的熔點，更容易生產，不產生放射性廢物，不易與包覆材料反應，不膨脹。這種材料由俄羅斯發展，主要用於為一些石墨堆和壓水堆。

二硼化鉿也具有相同的優點。它可以單獨用於控制棒中，也可以和鉿及碳化硼粉末混合燒結後使用。

附加的反應調控手段

和慢化劑不同，控制棒是用於吸收中子的。緊急情況下（如散熱系統異常）完全插入控制棒可以大量吸收中子而使反應堆停止工作。但在壓水堆中，可以通過在冷卻劑中添加硼酸來吸收中子。

安全性

切爾諾貝利核事故的一個官方解釋中就提及事故是由於控制棒被抽出而造成反應速率過大造成。

參考

• 核裂變
• 燃料棒