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第7 章7.3-7.5控制棒控制(核反应堆物理分析)
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反应堆 控制棒
制棒有几个作用？怎么控制？由什么控制？另外控制棒是怎么工作的？ 分别是什么
其中一只手只有松开和握紧两个状态，确保引入足够的负反应性使核功率迅速下降。反应堆中控制棒的控制方式很复杂。控制棒按组成分两种，安全停堆棒；另一只手还可以上提。温度棒用于调节一回路温度，具有较强的中子吸收能力。功率棒是开环控制，功率棒，其中子吸收能力较弱。我只学过目前主流商用压水堆（基于M310堆型）的，上提后手还得下来，其实是通过微调功率来达到控制温度的目的，一个移动线圈及销爪，温度棒。控制棒的提插通过两组销爪和三组电磁线圈实现。一个夹持线圈及销爪。具体动作过程比较复杂，一个提升线圈。功率棒用于调节一回路功率，但幅度有限，黑棒和灰棒。安全停堆棒用于提供安全停堆阈度。黑棒主要组成是Ag-In-Gd，温度棒是闭环控制，你可以想象用两只手提一根竹竿，当发生事故时安全棒依靠重力或气体压力自动插入堆芯控制棒按功能分三种。停堆棒主要靠手动和紧急停堆断路器控制。灰棒主要是不锈钢
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这就是核发电…但长期累积的水就是核废水（重水），水干了棒体就会过热，把蒸发的水蒸汽去驱动发电机，达到了棒体的熔点时就会融化咯…其实原理就是通过利用核裂变产生的巨大热能去把水蒸发核裂变反应堆运行时会释放很大的热量，需要不停注水去冷却，含极高的重金属和放射性物质，需要经过复杂的处理，就像电热棒一样
[提问者采纳]
反应堆 在原子能的和平利用中，最典型的当数原子能发电，也称核电。如果说原子弹的爆炸是瞬间、不受控制地进行的铀-235或钚-239核裂变链锁反应的结果，那么原子能发电站利用的能量是来受控状态下持久进行的铀-235或钚-239核裂变链锁反应。一种可以人为控制核裂变反应快慢并能维持链锁核裂变反应的装置叫做反应堆。费米发明的反应堆是用来生产钚-239的，这种反应堆叫做生产堆。原子能发电站的核心也是反应堆，它是用反应堆内核裂变反应产生的巨大热量生成饱和蒸汽驱动气轮机发电，这种反应堆叫做动力堆。原子能发电与用煤、用油发电的区别仅在于产生热量的装置不同，前者是原子能反应堆，后者是燃煤、燃油锅炉。 反应堆的类型很多，但它主要由活性区，反射层，外压力壳和屏蔽层组成。活性区又由核燃料，慢化剂，冷却剂和控制棒等组成。现在用于原子能发电站的反应堆中，压水堆是最具竞争力的堆型（约占61%），沸水堆占一定比例（约占24%），重水堆用的较少（约占5%）。压水堆的主要特点是：1）用价格低廉、到处可以得到的普通水作慢化剂和冷却剂，2）为了使反应堆内温度很高的冷却水保持液态，反应堆在高压力（水压约为15.5 MPa ）下运行，所以叫压水堆；3）由于反应堆内的水处于液态，驱动汽轮发电机组的蒸汽必须在反应堆以外产生；这是借助于蒸汽发生器实现的，来自反应堆的冷却水即一回路水流入蒸汽发生器传热管的一侧，将热量传给传热管另一侧的二回路水，使后者转变为蒸汽（二回路蒸汽压力为6—7 MPa，蒸汽的温度为275—290 ℃）；4）由于用普通水作慢化剂和冷却剂，热中子吸收截面较大，因此不可能用天然铀作核燃料，必须使用浓缩铀（铀-235的含量为2—4%）作核燃料。沸水堆和压水堆同属于轻水堆，它和压水堆一样，也用普通水作慢化剂和冷却剂，不同的是在沸水堆内产生蒸汽（压力约为7 MPa），并直接进入气轮机发电，无需蒸汽发生器，也没有一回路与二回路之分，系统特别简单，工作压力比压水堆低。然而，沸水堆的蒸汽带有放射性，需采取屏蔽措施以防止放射性泄漏。重水堆是用重水作慢化剂和冷却剂，因为其热中子吸收截面远小于普通水的热中子吸收截面，所以可以用天然铀作为重水堆的核燃料。所谓热中子，是指铀-235原子核裂变时射出的快中子经慢化后速度降为2200 m/s、能量约为1/40 eV的中子。热中子引起铀-235核裂变的可能性，比被铀-238原子核俘获的可能性大190倍。这样，在以天然铀为燃料的重水堆中，核裂变链锁反应可持续进行下去。由于重水慢化中子不如普通水有效，因此重水堆的堆芯比轻水堆大得多，使得压力容器制造变得困难。重水堆仍需配备蒸汽发生器，一回路的重水将热量带到蒸汽发生器，传给二回路的普通水以产生蒸汽。重水堆的最大优点是不用浓缩铀而用天然铀作核燃料，但是阻碍其发展的重要原因之一是重水很难得到，因为在天然水中重水只占1/6500。 前苏联于1954年建成了世界上第一座原子能发电站，掀开了人类和平利用原子能的新的一页。英国和美国分别于1956年和1959年建成原子能发电站。到，在世界上31个国家和地区，有439座发电用原子能反应堆在运行，总容量为364.6百万千瓦，约占世界发电总容量的16% 。其中，法国建成59座发电用原子能反应堆，原子能发电量占其整个发电量的78%；日本建成54座，原子能发电量占其整个发电量的25%；美国建成104座，原子能发电量占其整个发电量的20%；俄罗斯建成29座，原子能发电量占其整个发电量的15% 。我国于1991年建成第一座原子能发电站，包括这一座在内，现在投入运行的有9座发电用原子能反应堆，总容量为660万千瓦。我国另有2座反应堆在建设中。我国还为巴基斯坦建成一座原子能发电站。 原子能发电比常规发电的主要优点是：1）能量高度集中，燃料费用低廉，综合经济效益好。1公斤铀-235或钚-239提供的能量在理论上相当于2300吨无烟煤。在现阶段的实际应用中，1公斤天然铀可代替20—30吨煤。虽然原子能发电一次性基建投资较大，可是核燃料费用比煤和石油的费用便宜得多。所以，原子能发电的总成本已低于常规发电的总成本。2）因所需燃料数量少而不受运输和储存的限制。例如，一座100万千瓦的常规发电厂，一年需要烧掉300万吨煤，平均每天需要一艘万吨轮来运煤。而使用原子能发电，一年只需要30吨核燃料。3）污染环境较轻。原子能发电不向外排放CO、 SO2、 NOX 等有害气体和固体微粒，也不排放产生温室效应的二氧化碳。原子能发电站日常放射性废气和废液的排放量很小，周围居民由此受到的辐射剂量小于来自天然本底的1%。大量释放放射性物质的严重事故，则发生的概率极低，全世界10000堆年的运行历史中只发生过一次波及厂外的切尔诺贝利事故，它是运行人员违章操作和反应堆本身设计缺陷（缺乏必要的安全屏障）所造成的。大家可能听说过美国三里岛原子能发电站的事故，这次事故是由于人为失职和设备故障造成。由于反应堆有几道安全屏障，该事故中无一人死亡，80公里以内的200万人口中平均受到的辐射剂量还不及佩带一年夜光表受到的剂量。 可能有人要问，反应堆会不会像原子弹那样爆炸？这是不会的，其原因至少有三条：1）原子弹使用的核燃料中90%以上是易裂变的铀-235，而发电用反应堆使用的核燃料中只有2—4%是易裂变的铀-235；2）反应堆内装有由易吸收中子的材料制成的控制棒，通过调节控制棒的位置来控制核裂变反应的速度；3）冷却剂不断地把反应堆内核裂变反应产生的巨大热量带出，使反应堆内的温度控制在所需范围内。 0000可能有人也要问，为什么一些国家不轻易转让原子能发电技术呢？这是因为反应堆用于发电的同时，在反应堆内还产生一定量的钚-239（除大部分中子轰击铀-235原子核使其发生裂变外，仍有一部分中子被铀-238原子核俘获使后者变成钚-239。在反应堆内生成的钚-239中，约有50%以上再被中子轰击发生裂变，释放出能量，使核燃料增殖；其余不到50%的钚-239留在反应堆内。），经后处理可将钚-239提取出来，用于制造原子弹。重水堆产生的钚-239约为压水堆的两倍。 推进动力 将反应堆产生的热量带到蒸汽发生器，由蒸汽发生器产生的饱和蒸汽驱动汽轮机而提供推进动力。大家熟悉的核潜艇、核动力航空母舰和原子能破冰船，都是由原子能提供的推进动力。 由于核潜艇有常规潜艇无可比拟的优点，它已成为现代海军中的主力战舰。核潜艇的主要优点是：1）续航力大。续航力是指装一次燃料能持续航行的距离。对核潜艇来说，水下续航力可达7.5万海里；而常规潜艇的水下续航力只有100—400海里（与航速有关）, 因为它在水下是靠蓄电池作能源来推进的，隔一定时间需浮出水面或浮至通气管深度利用柴油发电机组对蓄电池进行充电。2）航速高。核潜艇水下航速可达30节（1节为1海里/时）以上，且经常以最大航速航行；而常规潜艇水下最大航速为15—20节，但由于受到蓄电池的限制一般不以最大航速航行。3）隐蔽性能好。核潜艇在水下停留时间约2500小时，而常规潜艇仅10—20小时。世界上已建造的核潜艇约500艘，配备的反应堆近700座，超过了已建造的用于原子能发电的反应堆的总数。1971年我国建成第一艘核潜艇，并试航成功。1988年我国成功地完成了从水下核潜艇发射弹道导弹的试验。 核动力航空母舰同样具有高航速下续航力大的优点，它能长期保持30节以上的航速而无须担心燃料的消耗。它不但不需要补给燃料的后勤舰队，还比同等级常规航母多携带一倍的航空燃料和武器。其续航力为100万海里。世界上第一艘核动力航空母舰，是美国于1960年建造的“企业号”航空母舰。俄罗斯和法国也分别拥有核动力航空母舰。 世界上第一艘原子能破冰船，是前苏联于1959年建造的。它比常规动力破冰船有突出优点：1）由于无须储备大量燃料，船的载重量不会因燃料消耗而减小，其破冰能力始终保持不变；2）轴功率可达75000马力，能在冰厚为 2.0—2.5米的北极区航行；而常规破冰船的轴功率在25000马力左右，一般只能在冰厚为0.7—0.9米的地方航行；3）续航力不受限制。 供热 利用反应堆产生的能量直接供热，有十分广阔的市场。例如，建设一座20万千瓦的低温供热堆，每年消耗二氧化铀仅1 吨，它可以为500万平方米的建筑供暖。而为同样建筑面积供暖的锅炉，每年需要烧煤30万吨。如果以15年为期进行比较，核供热的成本比煤供热便宜。世界上前苏联，加拿大，瑞典和我国都为寒冷地区建造了低温供热反应堆。 核反应堆主要由以下几个部分组成： （1）活性区。这是进行链式反应的地方，其中放有核燃料和中子减速剂。核燃料是指产生链式反应的裂变物质。反应堆中用的有天然铀、浓缩铀（铀235的含量比天然铀中的多）、钚和铀233等。减速剂是用来降低中子速度的物质，因为裂变释放出的中子速度很大，而容易使铀235裂变的是速度较小的中子（热中子）。理想的减速剂是不吸收或很少吸收中子的物质。如重水（D2O，重氢和氧的化合物）、石墨、氧化铍等。对于浓缩铀燃料也可以用普通水做减速剂。 在活性区中一般是把核燃料做成棒状或块状插入减速剂中，也有把核燃料和减速剂均匀混合在一起的。 （2）中子反射层。用来阻挡中于飞出活性区，以减少中子的损失，一般用石墨或氧化铍。 （3）控制调节系统。链式反应的速度很快，大约每秒钟可产生1千代中子，如果不加以控制，在极短的时间内释放巨大的能量使铀爆炸，这就是原子弹。因此控制调节系统是反应堆中很关键的部分，用它来控制链式反应的速度，调节反应堆的功率，使反应堆开始或停止工作等。 调控系统主要是由吸收中子很强的物质镉或硼制成的控制棒和相应的自动控制系统组成。当反应强烈时，反应堆中的控制棒将插入的深一些，使被吸收的中子增多，因而链式反应减慢；反之，将控制棒从活性区向外拉出一些，反应速度将加快。 （4）冷却系统。反应堆中核裂变释放出的能量绝大部分转换为热能。堆中的温度是很高的，通常利用普通水、重水、液态金属钢等做冷却剂，将堆中的热量输送出来，再通过热交换装置把水变成高压高温的蒸汽，用来推动汽轮机发电。另一方面，冷却下来的冷却剂又压回堆中继续使用，它是在一个封闭的循环系统中流动着。 （5）保护层。原子核裂变时不仅放出中子，裂变后的产物还要放出大量的β射线和γ射线。为了防止这些射线对人体的危害，反应堆外层应筑有很厚的混凝土保护层。
这个问题高三物理大纲版教材上写的有
我还记得到一些
主要是控制反应速率
控制棒是由金属镉制成的
现在的核反应都是通过高速的中子去撞击铀235
然后产生一系列的反应 而控制棒主要是吸收中子控制反应速率 一般有八根控制棒 只要保证有三棒控制棒在里面 就不会导致反应堆反应剧烈而无法控制
除了控制反应速度还有什么功能
恩利克•费米（Enrica Fermi 至）美国物理学家。生于意大利罗马.第一座核反应堆
1938年，意大利物理学家费米去瑞典接受诺贝尔物理奖。借此机会，费米来到了美国。在“曼哈顿工程”进行的初期，在美国哥伦比亚大学开始对建造核反应堆进行研究，并由诺贝尔奖获得者康普顿（）主持这项计划，在芝加哥大学进行安装和试验。在讨论设计方案时，费米和西拉德主张把铀块放在用石墨摆成的矩阵中，石墨与铀块交错排列，保证最经济地利用中子。在这种方格栅的矩阵中，中子可以穿过石墨、碰撞铀块。所以用石墨作慢化剂，是因为当时可以很容易地将石墨提炼到很高的纯度，并且其工艺也很成熟。当时还建立了30多座核反应装置，以解决研究中碰到的各种问题。
1942年初又成立了冶金实验室（后来发展成为今天的阿贡实验室），在这个实验室中，由费米负责实验核物理组，威格纳负责理论组，此外还有化学组。
经过理论与实验的论证，1942年7月，决定建立第一座核反应堆。到10月正式开始建造，因为这时已经得到几吨高纯度的金属铀。
这座反应堆建在芝加哥大学运动场看台底下的一个网球室内。网球室长16米，宽9米。反应堆的结构非常简单，共有30层石墨，石墨层之间铺放铀燃料。反应堆的底部呈正方形，顶部呈圆形。为了反应堆的安全，在反应堆的周围套上了一个充满空气的胶皮大口袋。如果中子太多，可将口袋抽成真空，进而让中子泄漏出去，使核反应缓和下来。实际上，这个口袋从未使用过。
除了大口袋，为了安全起见，还设计了3组安全系统。一组是自动控制棒，在电动机带动下，控制棒可上可下；一组是一根手动控制棒，用手抽出或插入控制棒，以控制反应的速度；一组是用绳子栓住的紧急安全棒，当链式反应过于激烈时，就砍断绳子，控制棒落入反应堆中大量吸收中子，以迅速中止核反应。此外还有一组人员，手拎一桶镉盐溶液，镉盐也可以大量吸收中子，以迅速中止核反应。
日，8∶30，科学家们各就各位。
9∶45，试验开始，计数器“嗒嗒”作响，并且逐渐增加。说明核反应开始。
到10∶37，费米命令抽出部分控制棒，并不断使抽出的控制棒部分增加。这时的“嗒嗒”声更紧，但并无规则。
11∶25，反应堆虽未到自持链式反应的程度，费米认为已达到关键的时刻，并将控制棒部分回落入反应堆中。
11∶35，控制棒再度抽出，核反应再度剧烈起来。这时反应突然中止了，原因是安全标准定的太高了，使反应堆工作自动中止。
午饭之后，14∶30，实验再度开始。实验井然有序，费米用计算尺计算反应堆中中子增长的速度。最后，反应堆反应加快，以致于计数器的“嗒嗒”声响连成一片，听上去成了“嗡嗡”声。这时，费米合上计算尺，向大家坦然地讲道：“反应堆已经达到自持链式裂变反应”！记录纸上指示的曲线也表明了这一点。
3∶52，费米命令放下安全棒，初步的实验完 成了，并达到了预想的目的。实验还表明，对反应过程控制自如。
实验成功了。科学家们的内心充满了喜悦的心情，在人类第一次点燃的核反应堆旁静静地守侯了28分钟。这时，威格纳拿出一瓶基安提酒，大家分享了庆功酒之后，在瓶子的商标上签字留念。接着，康普顿挂长途电话向哈佛大学校长、国防研究委员会主席科南特报告实验情况。他用暗语说道：“意大利领航员已经登上新大陆。”科南特问道：“土人对他态度如何？”康普顿答道：“十分友好。”
也许是偶然的巧合，1492年，意大利航海家哥伦布登上了一片未知的新大陆，而今（1942年），另一位“航海家”又登上了一片更加广阔的未知的“新大陆”。
附带说一句，费米主持建造的反应堆是用石墨块逐层堆积起来的，因此将它称之为“堆”，英语是“pole”。后来，随着核科学技术的不断发展，堆的类型不断增加和不断改进，已失去了原来“堆”的面貌和形象，因此，国外已改用“反应器”，即“reactor”。为免去歧义，我们现在仍然沿用旧称。
个人估计是因为要防止功率下降太快使温度过快下降。由于反应堆是负的温度系数，即温度下降会引入正反应性。如果功率下降太快，则会引发超临界。这个对安全不利。所以正常停堆过程中，控制棒都是走走停停的。这是因为控制棒下插信号有时会被堆芯过冷信号给闭锁掉。另外功率快速下降对汽机影响也比较大，特别是系统的热应力问题，这会影响机组寿命。不过紧急停堆的时候，控制棒直接掉堆底，功率急剧下降。所以真要功率急剧下降也没事。
一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等吸收中子链式反应靠中子激发 中子数量少了反应也就平缓
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