Kärnreaktorer är utformade så att klyvningsprocessen vid varje given tidpunkt är i stabil jämvikt med avseende på små förändringar i parametrar som påverkar reaktiviteten (se neutronmultiplikationsfaktor ). Till exempel, när styrstaven dras ut ur reaktorn , blir neutronmultiplikationsfaktorn större än ett, vilket, med alla andra parametrar oförändrade, leder till en exponentiell ökning av kärnreaktionshastigheten med en karakteristisk neutroncykeltid från τ = 10 −3 s för termiska neutronreaktorer till τ = 10 − 8 s för snabba neutronreaktorer. Men med en ökning av hastigheten för en kärnreaktion ökar reaktorns termiska kraft, vilket resulterar i att temperaturen på kärnbränslet ökar, vilket leder till en minskning av neutronfångstvärsnittet och i sin tur, till en minskning av hastigheten för kärnreaktionen. Således släcks en oavsiktlig ökning av hastigheten för en kärnreaktion, och orsakad av förflyttning av styrstavar eller en långsam förändring av andra parametrar, leder det till en kvasistationär förändring i reaktoreffekten och inte till utveckling av en explosion. Det beskrivna mönstret är en av de fysiska orsakerna till reaktivitetens negativa effektkoefficient .
För säker kontroll av en kärnreaktor är det väsentligt att alla reaktivitetskoefficienter är negativa. Om minst en reaktivitetskoefficient är positiv blir reaktorns drift instabil, och utvecklingstiden för denna instabilitet kan vara så kort att inga aktiva nödskyddssystem i en kärnreaktor hinner fungera. I synnerhet visade analysen att den positiva ångreaktivitetskoefficienten för RBMK -1000- reaktorn blev en av orsakerna till Tjernobylolyckan .
En reaktor som arbetar i stationärt läge så länge som önskas är en matematisk abstraktion . I själva verket orsakar de processer som sker i reaktorn en försämring av mediets förädlingsegenskaper, och utan mekanismen för återställning av reaktivitet skulle reaktorn inte kunna fungera under en längre tid. Cirkulationen av neutroner i reaktorn inkluderar klyvningsprocessen; varje klyvningshändelse betyder förlusten av en atom i det klyvbara materialet, och därmed minskningen av k 0 . Visserligen återställs klyvbara atomer delvis på grund av absorptionen av överskott av neutroner av 238 U kärnor med bildandet av 239 Pu . Men ansamlingen av nytt klyvbart material kompenserar vanligtvis inte för förlusten av klyvbara atomer, och reaktiviteten minskar. Dessutom åtföljs varje fissionshändelse av uppkomsten av två nya atomer, vars kärnor , som alla andra kärnor, absorberar neutroner. Ansamlingen av fissionsprodukter minskar också reaktiviteten (se jodgrop ). Minskningen i reaktivitet kompenseras av en kvasistationär minskning av reaktortemperaturen (en motsvarande ökning av neutroninfångningstvärsnittet kompenserar för minskningen i reaktivitet och återställer reaktorn till ett kritiskt tillstånd). De aktiva zonerna i kraftreaktorer måste dock värmas till högsta möjliga (design) temperatur, eftersom effektiviteten hos en värmemotor i slutändan bestäms av temperaturskillnaden mellan värmekällan och kylaren - miljön. Därför behövs styrsystem för att återställa reaktiviteten och bibehålla designeffekten och kärntemperaturen.
Styrsystemet utvecklades och tillämpades först på F-1- enheten .
En kärnreaktor kan arbeta vid en given effekt under lång tid endast om den har en reaktivitetsmarginal i början av driften. Undantaget är subkritiska reaktorer med en extern källa för termiska neutroner. Frigörandet av bunden reaktivitet när den minskar på grund av naturliga orsaker säkerställer att reaktorns kritiska tillstånd bibehålls vid varje ögonblick av dess drift. Den initiala reaktivitetsmarginalen skapas genom att bygga en kärna med dimensioner som är mycket större än de kritiska. För att förhindra att reaktorn blir superkritisk reduceras samtidigt k 0 av avelsmediet artificiellt . Detta uppnås genom att införa neutronabsorbenter i kärnan, som sedan kan avlägsnas från kärnan. Precis som i kedjereaktionskontrollelementen är absorberande ämnen en del av materialet i stavar med ett eller annat tvärsnitt, som rör sig längs motsvarande kanaler i kärnan. Men om en, två eller flera stavar är tillräckliga för reglering, kan antalet stavar nå hundratals för att kompensera för det initiala överskottet av reaktivitet. Dessa stavar kallas kompenserande. Reglerande och kompenserande stavar är inte nödvändigtvis olika strukturella element. Ett antal kompensationsstavar kan vara styrstavar, men bådas funktioner är olika. Styrstavarna är utformade för att upprätthålla ett kritiskt tillstånd när som helst, för att stoppa, starta reaktorn, byta från en effektnivå till en annan. Alla dessa operationer kräver små förändringar i reaktivitet. Kompensationsstavar dras gradvis tillbaka från reaktorhärden, vilket säkerställer ett kritiskt tillstånd under hela drifttiden.
Ibland är kontrollstavar inte gjorda av absorberande material, utan av klyvbart eller spridningsmaterial. I termiska reaktorer är dessa till övervägande del neutronabsorbatorer, medan det inte finns några effektiva snabba neutronabsorbatorer . Sådana absorbatorer som kadmium , hafnium och andra absorberar starkt endast termiska neutroner på grund av närheten av den första resonansen till den termiska regionen, och utanför den senare skiljer de sig inte från andra ämnen i deras absorberande egenskaper. Ett undantag är bor , vars neutronabsorptionstvärsnitt minskar med energi mycket långsammare än för de angivna ämnena, enligt l / v- lagen . Därför absorberar bor snabba neutroner, om än svagt, men något bättre än andra ämnen. Endast bor, om möjligt anrikat i 10 V isotopen , kan fungera som absorberande material i en snabb neutronreaktor.Förutom bor används klyvbara material även för styrstavar i snabba neutronreaktorer . En kompensationsstav gjord av klyvbart material har samma funktion som en neutronabsorberande stav: den ökar reaktorns reaktivitet med dess naturliga minskning. Men till skillnad från en absorbator är en sådan stav placerad utanför härden i början av reaktordriften och sedan införs den i härden. Av spridningsmaterialen i snabba reaktorer används nickel som har ett spridningstvärsnitt av snabba neutroner något större än andra ämnens tvärsnitt. Spridningsstavar är placerade längs kärnans periferi och deras nedsänkning i motsvarande kanal orsakar en minskning av neutronläckaget från kärnan och följaktligen en ökning av reaktiviteten. I vissa speciella fall är syftet med att kontrollera en kedjereaktion de rörliga delarna av neutronreflektorerna, som vid rörelse förändrar läckaget av neutroner från kärnan. Styr-, kompensations- och nödstavarna, tillsammans med all utrustning som säkerställer deras normala funktion, bildar reaktorns styr- och skyddssystem (CPS).
I händelse av en oförutsedd katastrofal utveckling av en kedjereaktion, såväl som förekomsten av andra nödlägen i samband med frigörandet av energi i härden, tillhandahåller varje reaktor en nödavslutning av kedjereaktionen, utförd genom att släppa en speciell nödsituation stavar eller säkerhetsstänger in i kärnan. Nödstavar är gjorda av neutronabsorberande material. De släpps ut under inverkan av gravitationen in i den centrala delen av härden, där flödet är störst, och därmed den största negativa reaktiviteten som införs i reaktorn av staven. Det finns vanligtvis två eller flera säkerhetsstavar, såväl som reglerande sådana, men till skillnad från regulatorer måste de ansluta största möjliga mängd reaktivitet. Säkerhetsstavarnas funktion kan även utföras av en del av kompensationsstavarna.