Los reactores nucleares están diseñados para que en un momento dado el proceso de fisión esté en equilibrio estable con respecto a pequeños cambios en los parámetros que afectan a la reactividad (ver factor de multiplicación de neutrones ). Por ejemplo, cuando se extrae la barra de control del reactor , el factor de multiplicación de neutrones se vuelve mayor que la unidad, lo que, con todos los demás parámetros sin cambios, conduce a un aumento exponencial en la velocidad de reacción nuclear con un tiempo de ciclo de neutrones característico de τ = 10 −3 s para reactores de neutrones térmicos a τ = 10 − 8 s para reactores de neutrones rápidos. Sin embargo, con un aumento en la velocidad de una reacción nuclear, la potencia térmica del reactor aumenta, como resultado de lo cual aumenta la temperatura del combustible nuclear, lo que conduce a una disminución en la sección transversal de captura de neutrones y, a su vez, a una disminución en la velocidad de la reacción nuclear. Por lo tanto, un aumento accidental en la velocidad de una reacción nuclear se extingue y, causado por el movimiento de las barras de control o un cambio lento en otros parámetros, conduce a un cambio casi estacionario en la potencia del reactor, y no al desarrollo de una explosión. El patrón descrito es una de las razones físicas del coeficiente de reactividad de potencia negativo .
Para el control seguro de un reactor nuclear, es esencial que todos los coeficientes de reactividad sean negativos. Si al menos un coeficiente de reactividad es positivo, la operación del reactor se vuelve inestable, y el tiempo de desarrollo de esta inestabilidad puede ser tan corto que ningún sistema activo de protección de emergencia de un reactor nuclear tenga tiempo de funcionar. En particular, el análisis mostró que el coeficiente de reactividad de vapor positivo del reactor RBMK -1000 se convirtió en una de las causas del accidente de Chernobyl .
Un reactor funcionando en modo estacionario durante el tiempo que se desee es una abstracción matemática . De hecho, los procesos que tienen lugar en el reactor provocan un deterioro de las propiedades de reproducción del medio, y sin el mecanismo de restauración de la reactividad , el reactor no podría funcionar durante mucho tiempo. La circulación de neutrones en el reactor incluye el proceso de fisión; cada evento de fisión significa la pérdida de un átomo del material fisionable, y por lo tanto la disminución de k 0 . Es cierto que los átomos fisionables se restauran parcialmente debido a la absorción del exceso de neutrones por los núcleos de 238 U con la formación de 239 Pu . Sin embargo, la acumulación de nuevo material fisionable no suele compensar la pérdida de átomos fisionables y la reactividad disminuye. Además, cada evento de fisión va acompañado de la aparición de dos nuevos átomos, cuyos núcleos , como cualquier otro núcleo, absorben neutrones. La acumulación de productos de fisión también reduce la reactividad (ver pozo de yodo ). La disminución de la reactividad se compensa con una disminución casi estacionaria de la temperatura del reactor (un aumento correspondiente en la sección transversal de captura de neutrones compensa la caída de la reactividad y devuelve el reactor a un estado crítico). Sin embargo, las zonas activas de los reactores de potencia deben calentarse a la temperatura más alta posible (de diseño), ya que la eficiencia de un motor térmico está determinada en última instancia por la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el enfriador: el medio ambiente. Por lo tanto, se necesitan sistemas de control para restaurar la reactividad y mantener la potencia de diseño y la temperatura central.
El sistema de control se desarrolló y aplicó por primera vez en la unidad F-1 .
Un reactor nuclear puede operar a una potencia determinada durante mucho tiempo solo si tiene un margen de reactividad al comienzo de la operación. La excepción son los reactores subcríticos con una fuente externa de neutrones térmicos. La liberación de la reactividad ligada a medida que disminuye por causas naturales asegura que el estado crítico del reactor se mantenga en todo momento de su operación. El margen de reactividad inicial se crea construyendo un núcleo con dimensiones mucho mayores que las críticas. Para evitar que el reactor se vuelva supercrítico, k 0 del medio de cultivo se reduce artificialmente al mismo tiempo . Esto se logra introduciendo absorbentes de neutrones en el núcleo, que posteriormente se pueden retirar del núcleo. Al igual que en los elementos de control de reacción en cadena , las sustancias absorbentes forman parte del material de las varillas de una u otra sección transversal, moviéndose a lo largo de los canales correspondientes en el núcleo. Pero si una, dos o varias varillas son suficientes para la regulación, entonces el número de varillas puede llegar a cientos para compensar el exceso de reactividad inicial. Estas varillas se llaman compensadoras. Las varillas de regulación y compensación no son necesariamente elementos estructurales diferentes. Varias barras de compensación pueden ser barras de control, pero las funciones de ambas son diferentes. Las barras de control están diseñadas para mantener un estado crítico en cualquier momento, para parar, arrancar el reactor, cambiar de un nivel de potencia a otro. Todas estas operaciones requieren pequeños cambios en la reactividad. Las barras de compensación se retiran gradualmente del núcleo del reactor, asegurando un estado crítico durante todo el tiempo de su operación.
A veces, las barras de control no están hechas de materiales absorbentes, sino de material fisionable o disperso. En los reactores térmicos, estos son predominantemente absorbentes de neutrones, mientras que no hay absorbentes de neutrones rápidos efectivos . Los absorbentes como el cadmio , el hafnio y otros absorben fuertemente solo los neutrones térmicos debido a la proximidad de la primera resonancia a la región térmica, y fuera de esta última no difieren de otras sustancias en sus propiedades absorbentes. Una excepción es el boro , cuya sección eficaz de absorción de neutrones disminuye con la energía mucho más lentamente que la de las sustancias indicadas, según la ley l / v . Por lo tanto, el boro absorbe neutrones rápidos, aunque débilmente, pero algo mejor que otras sustancias. Solo el boro, si es posible enriquecido en el isótopo de 10 V, puede servir como material absorbente en un reactor de neutrones rápidos . Además del boro , los materiales fisionables también se utilizan para las barras de control en los reactores de neutrones rápidos . Una barra compensadora hecha de material fisible realiza la misma función que una barra absorbente de neutrones: aumenta la reactividad del reactor con su disminución natural. Sin embargo, a diferencia de un absorbedor, dicha barra se ubica fuera del núcleo al comienzo de la operación del reactor y luego se introduce en el núcleo. De los materiales dispersores en los reactores rápidos, se utiliza el níquel , que tiene una sección transversal de dispersión de neutrones rápidos algo mayor que las secciones transversales de otras sustancias. Las varillas dispersoras están situadas a lo largo de la periferia del núcleo y su inmersión en el canal correspondiente provoca una disminución de la fuga de neutrones del núcleo y, en consecuencia, un aumento de la reactividad. En algunos casos especiales, el objetivo de controlar una reacción en cadena son las partes móviles de los reflectores de neutrones, que al moverse modifican la fuga de neutrones del núcleo. Las barras de control, compensación y emergencia, junto con todos los equipos que aseguran su normal funcionamiento, forman el sistema de control y protección del reactor (CPS).
En caso de un desarrollo catastrófico imprevisto de una reacción en cadena, así como la ocurrencia de otros modos de emergencia asociados con la liberación de energía en el núcleo, cada reactor prevé una terminación de emergencia de la reacción en cadena, que se lleva a cabo mediante la eliminación de emergencias especiales. varillas o varillas de seguridad en el núcleo. Las barras de emergencia están hechas de material absorbente de neutrones. Se descargan bajo la acción de la gravedad en la parte central del núcleo, donde el flujo es mayor y, por lo tanto, la mayor reactividad negativa introducida en el reactor por la barra. Suele haber dos o más varillas de seguridad, así como de regulación, sin embargo, a diferencia de los reguladores, deben conectar la mayor cantidad de reactividad posible. La función de las barras de seguridad también puede ser realizada por una parte de las barras de compensación.