Ydinreaktorit on suunniteltu siten, että fissioprosessi on kulloinkin stabiilissa tasapainossa reaktiivisuuteen vaikuttavien parametrien pienten muutosten suhteen (katso neutronien kerroin ). Esimerkiksi, kun säätösauva vedetään ulos reaktorista , neutronien kerroin on suurempi kuin yksikkö, mikä kaikkien muiden parametrien pysyessä muuttumattomina johtaa ydinreaktionopeuden eksponentiaaliseen kasvuun ominaisella neutronijaksolla alkaen τ = 10 -3 s lämpöneutronireaktoreille τ = 10 - 8 s nopeille neutronireaktoreille. Ydinreaktion nopeuden kasvaessa reaktorin lämpöteho kuitenkin kasvaa, minkä seurauksena ydinpolttoaineen lämpötila nousee, mikä johtaa neutronien sieppauspoikkileikkauksen pienenemiseen ja puolestaan ydinreaktion nopeuden hidastumiseen. Siten vahingossa tapahtuva ydinreaktion nopeuden kasvu sammuu, ja säätösauvojen liikkeen tai muiden parametrien hitaan muutoksen aiheuttama se johtaa kvasistationaariseen muutokseen reaktorin tehossa, ei reaktorin tehon kehittymiseen. räjähdys. Kuvattu kuvio on yksi fyysisistä syistä negatiiviseen reaktiivisuustehokertoimeen .
Ydinreaktorin turvallisen ohjauksen kannalta on olennaista, että kaikki reaktiivisuuskertoimet ovat negatiivisia. Jos ainakin yksi reaktiivisuuskerroin on positiivinen, reaktorin toiminta muuttuu epävakaaksi ja tämän epävakauden kehitysaika voi olla niin lyhyt, ettei mikään ydinreaktorin aktiivinen hätäsuojajärjestelmä ehdi toimia. Erityisesti analyysi osoitti , että RBMK -1000 -reaktorin positiivisesta höyrykertoimesta tuli yksi Tšernobylin onnettomuuden syistä .
Reaktori , joka toimii paikallaan niin kauan kuin halutaan, on matemaattinen abstraktio . Itse asiassa reaktorissa tapahtuvat prosessit aiheuttavat väliaineen lisääntymisominaisuuksien huononemista, ja ilman reaktiivisuuden palautusmekanismia reaktori ei voisi toimia pitkään aikaan. Neutronien kierto reaktorissa sisältää fissioprosessin; jokainen fissiotapahtuma tarkoittaa halkeamiskelpoisen materiaalin atomin häviämistä ja siten k 0 :n vähenemistä . Totta, fissioituvat atomit palautuvat osittain 238 U :n ytimien ylimääräisten neutronien absorption vuoksi , jolloin muodostuu 239 Pu . Uuden halkeamiskelpoisen materiaalin kerääntyminen ei kuitenkaan yleensä kompensoi halkeamiskelpoisten atomien häviämistä ja reaktiivisuus laskee. Lisäksi jokaiseen fissiotapahtumaan liittyy kaksi uutta atomia, joiden ytimet , kuten kaikki muutkin ytimet, absorboivat neutroneja. Fissiotuotteiden kerääntyminen vähentää myös reaktiivisuutta (katso jodikuoppa ). Reaktiivisuuden lasku kompensoidaan kvasistationaarisella reaktorin lämpötilan laskulla (vastaava neutronien sieppauspoikkileikkauksen nousu kompensoi reaktiivisuuden laskua ja palauttaa reaktorin kriittiseen tilaan). Tehoreaktorien aktiiviset vyöhykkeet on kuitenkin lämmitettävä korkeimpaan mahdolliseen (suunnittelu)lämpötilaan, koska lämpökoneen hyötysuhteen määrää viime kädessä lämmönlähteen ja jäähdyttimen - ympäristön - välinen lämpötilaero. Siksi tarvitaan ohjausjärjestelmiä reaktiivisuuden palauttamiseksi ja suunnitellun tehon ja sisälämpötilan ylläpitämiseksi.
Ohjausjärjestelmä kehitettiin ja sovellettiin ensimmäisen kerran F-1- yksikössä .
Ydinreaktori voi toimia tietyllä teholla pitkään vain, jos sillä on toiminnan alussa reaktiivisuusmarginaali. Poikkeuksen muodostavat alikriittiset reaktorit , joissa on ulkoinen lämpöneutronien lähde. Sitoutuneen reaktiivisuuden vapautuminen luonnollisista syistä johtuen sen vähentyessä varmistaa, että reaktorin kriittinen tila säilyy sen jokaisella toimintahetkellä. Alkuperäinen reaktiivisuusmarginaali luodaan rakentamalla ydin, jonka mitat ovat paljon suuremmat kuin kriittiset. Reaktorin ylikriittiseksi muodostumisen estämiseksi vähennetään samalla keinotekoisesti jalostusalustan k 0 . Tämä saavutetaan viemällä ytimeen neutroniabsorboijia, jotka voidaan myöhemmin poistaa ytimestä. Aivan kuten ketjureaktion säätöelementeissä , imukykyiset aineet ovat osa poikkileikkaukseltaan poikkileikkaukseltaan poikkileikkaukseltaan vastaavia kanavia pitkin kulkevien tankojen materiaalia. Mutta jos yksi, kaksi tai useampi sauva riittää säätelyyn, sauvojen lukumäärä voi nousta satoihin kompensoimaan alkuperäisen ylimääräisen reaktiivisuuden. Näitä sauvoja kutsutaan kompensoiviksi. Säätö- ja tasaussauvat eivät välttämättä ole erilaisia rakenneosia. Useat tasaussauvat voivat olla säätösauvoja, mutta molempien toiminnot ovat erilaisia. Säätösauvat on suunniteltu ylläpitämään kriittistä tilaa milloin tahansa, pysäyttämään, käynnistämään reaktorin, vaihtamaan tehotasolta toiselle. Kaikki nämä toiminnot vaativat pieniä muutoksia reaktiivisuuteen. Tasaussauvat vedetään asteittain pois reaktorin sydämestä, mikä varmistaa kriittisen tilan koko sen toiminta-ajan.
Joskus säätösauvoja ei ole valmistettu imukykyisistä materiaaleista, vaan halkeamis- tai sirontamateriaalista. Lämpöreaktoreissa nämä ovat pääasiassa neutroniabsorboijia, kun taas tehokkaita nopeita neutroniabsorboijia ei ole . Sellaiset absorboijat, kuten kadmium , hafnium ja muut, absorboivat voimakkaasti vain lämpöneutroneja johtuen ensimmäisen resonanssin läheisyydestä lämpöalueelle , ja jälkimmäisen ulkopuolella ne eivät eroa muista aineista absorbointiominaisuuksiltaan. Poikkeuksena on boori , jonka neutronien absorption poikkileikkaus pienenee energian myötä paljon hitaammin kuin ilmoitettujen aineiden l / v -lain mukaan . Siksi boori absorboi nopeita neutroneja, vaikkakin heikosti, mutta jonkin verran paremmin kuin muut aineet. Nopeiden neutronien reaktorissa imukykyisenä materiaalina voi toimia vain boori, mikäli mahdollista rikastettuna 10 V:n isotoopilla . Nopeiden neutronireaktorien säätösauvoina käytetään boorin lisäksi halkeamiskelpoisia materiaaleja. Halkeavasta materiaalista valmistettu kompensointisauva suorittaa saman tehtävän kuin neutroneja absorboiva sauva: se lisää reaktorin reaktiivisuutta luonnollisella laskullaan. Toisin kuin absorboija, tällainen sauva on kuitenkin sijoitettu sydämen ulkopuolelle reaktorin toiminnan alussa, ja sitten se viedään sydämeen. Nopeiden reaktorien sirontamateriaaleista käytetään nikkeliä , jonka nopeiden neutronien sirontapoikkileikkaus on jonkin verran suurempi kuin muiden aineiden poikkileikkaukset. Sirontasauvat sijaitsevat sydämen kehällä ja niiden upottaminen vastaavaan kanavaan aiheuttaa neutronivuodon vähenemisen ytimestä ja sen seurauksena reaktiivisuuden lisääntymistä. Joissain erikoistapauksissa ketjureaktion ohjauksen tarkoituksena on neutroniheijastimien liikkuvat osat, jotka liikkuessaan muuttavat neutronien vuotoa ytimestä. Ohjaus-, kompensointi- ja hätäsauvat yhdessä kaikkien niiden normaalin toiminnan varmistavien laitteiden kanssa muodostavat reaktorin ohjaus- ja suojausjärjestelmän (CPS).
Ketjureaktion odottamattoman katastrofaalisen kehittymisen tapauksessa sekä muiden hätätilojen esiintyessä, jotka liittyvät energian vapautumiseen sydämessä, jokainen reaktori mahdollistaa ketjureaktion hätäkatkaisun, joka suoritetaan pudottamalla erityishätätilanne. tangot tai turvatangot ytimeen. Hätäsauvat on valmistettu neutroneja absorboivasta materiaalista. Ne purkautuvat painovoiman vaikutuksesta sydämen keskiosaan, jossa virtaus on suurin ja siten suurin sauvan reaktoriin tuoma negatiivinen reaktiivisuus. Turvasauvoja on yleensä kaksi tai useampia, samoin kuin säätösauvoja, mutta toisin kuin säätimissä, niiden on yhdistettävä mahdollisimman paljon reaktiivisuutta. Turvatankojen tehtävän voi suorittaa myös osa tasaustankoja.