Regelstaaf

Figuur 1. Een drukwaterreactor met controlestaven die uit de kop van de reactor steken.

Een regelstaaf is een apparaat dat wordt gebruikt om neutronen te absorberen, zodat de nucleaire kettingreactie die in de reactorkern plaatsvindt, kan worden vertraagd of volledig gestopt door de staven verder in te brengen, of versneld door ze iets te verwijderen. In wezen zorgen controlestaven voor real-time controle van het splijtingsproces, zodat het actief blijft en niet uit de hand loopt.

Bij de splijting van uranium-235 komen gemiddeld 2,5 neutronen vrij, maar er is slechts één neutron nodig om de nucleaire kettingreactie in een constant tempo te laten verlopen. De regelstaven absorberen deze extra neutronen en kunnen worden gebruikt om het vermogen van de reactor aan te passen. Wanneer de staaf de standaardhoeveelheid wordt ingeschoven, is de stand kritisch en blijft het uitgangsvermogen gelijk. Als de staaf naar binnen wordt geduwd, daalt het aantal neutronen samen met het afgegeven vermogen en bevindt de reactor zich onder kriticiteit. Het omgekeerde is het geval als de staven iets naar buiten worden getrokken omdat de splijting voorbij de kriticiteit gaat. Dit is te zien in figuur 2.

Figuur 2. Een schema dat laat zien hoe het uitgangsvermogen van de reactor verandert met de mate waarin de regelstaven (in groen weergegeven) zijn ingebracht. Links zijn de regelstaven meer dan normaal ingebracht, waardoor het vermogen van de reactor afneemt. Rechts worden de regelstaven minder dan gewoonlijk ingebracht, waardoor het uitgangsvermogen toeneemt.

Ontwerp

Controlestaven zijn staven, platen of buizen die een materiaal bevatten (zoals borium of hafnium) dat neutronen absorbeert. Verscheidene van deze regelstaven, ongeveer zo groot als splijtstofstaven, zijn op gelijke afstanden van elkaar geplaatst en aan één uiteinde verbonden door een metalen beugel die spider wordt genoemd. Typische reactoren kunnen ongeveer 50 van deze clusters bevatten met 20 individuele regelstaven in elke cluster.

Het vermogen van een regelstaaf om neutronen te absorberen en zo de splijtingskettingreactie te beheersen, vereist de keuze van een materiaal met een hoog neutronen-absorberend vermogen. De mate waarin een materiaal neutronen absorbeert, wordt de neutronenabsorptiedoorsnede genoemd, of , gemeten in schuren (gelijk aan 10-28 vierkante meter). In het algemeen worden controlestaven gemaakt van cadmium, hafnium, of verrijkt borium.

Naast de materiaalkeuze zijn ook de mechanische eigenschappen en de kosten van belang bij het ontwerpen van een controlestaaf. Zo is borium-10 een van de beste neutronenabsorbers, maar het is niet ideaal voor de bouw van regelstaven, omdat het uiterst bros is. Bovendien moet natuurlijk borium worden verrijkt om redelijke absorptieniveaus te hebben, wat erg duur wordt.

Veiligheidsmaatregelen

Regelkolven zijn belangrijke veiligheidskenmerken van reactoren, omdat de gebruiker er het vermogen van de reactor mee kan regelen. In sommige reactortypes, met name CANDU-reactoren, worden de regelstaven omhoog gehouden door elektromagneten. Dit betekent dat bij een stroomstoring of signaalverlies de regelstaven onmiddellijk worden losgelaten en door de zwaartekracht in de reactorkern vallen. Dit voorkomt dat de splijtingsreactie doorgaat en fungeert als het primaire uitschakelsysteem in geval van nood. Deze valbeweging kan ook handmatig worden opgewekt als de machines die de staven omhoog houden op de een of andere manier falen. Wanneer de regelstaven in de reactor vallen, is er sprake van een proces dat bekend staat als scramming. In kokend-waterreactoren is het ontwerp anders, aangezien de regelstaven omhoog in de reactor moeten worden geduwd omdat ze zich in dat ontwerp op de bodem van de reactor bevinden.