1. 背景介绍
反应性的控制是操纵员最重要的职责之一，是决定堆芯安全的重要参数。世界范围内，反应性的控制事件多有发生，给堆芯安全带来了潜在威胁。最为严重的是1986年发生在切尔诺贝利核电厂的事故，由于团队对反应性的控制失误，违反多项管理要求，导致堆芯功率失控从而导致反应堆发生爆炸。
反应性事件的发生，主要是由于人员技能不足和行为不规范，管理手段缺失，叠加部分设备异常所致。因此，核电厂要具备足够素质的操纵人员，并建立有效的管理手段，做好设备管理，应对可能的突发事件，确保堆芯的安全。
2. 反应性控制的典型场景
堆芯的反应性，受到多种因素的影响，其中较为典型的是控制棒、硼浓度、燃耗、可燃毒物、漫化剂温度、多普勒效应、氙毒和钐毒等。这些效应在不同的情况下会起到不同的作用，下面就从堆芯控制的几个典型场景来进行分析。
2.1 达临界中的反应性控制
反应堆在启动时，需要逐步增加反应性使反应堆达到临界状态。增加反应性的方法有多种，主要包括稀释、提升控制棒、增加核燃料等。在压水堆核电站中，主要通过稀释和提升控制棒来达临界。
由于临界点的不确定性，即使通过计算给出了反应堆临界状态的位置
，但是并不能确定反应堆真实的临界位置。 在执行临界策略时，要着重遵守以下方面的要求：
1. 通过外推来逐渐寻找临界点。在大量引入正反应性过程中，外推是指引反应堆临界的最有效的办法。通过1/N作为纵坐标，以硼浓度、棒位、水体积等作为横坐标执行外推。外推的特点是越逼近临界状态，其指示参数的准确度越高。这是由于在总反应性中，越逼近临界，引入反应性的相对变化量越大，误差相对越小。稀释和引入新的反应性后，要给充足的时间使反应堆稳定。外推利用了次临界增殖的原理，越逼近临界，K越接近于1，Keffn逼近于0的时间越长，次临界增殖需要的时间越久。所以在后期逼近临界时必须给予充分的时间，待中子通量稳定后，再进行计算。
如果次临界增殖的时间不足，则会导致Nn<N∞，1/Nn偏大，导致外推的硼浓度偏低，或者棒位偏高，都将导致外推偏不保守。
2. 考虑测量误差带来的干扰。由于硼表、中子通量测量带来的误差，导致外推时候临界点是波动的，这些因素导致外推的点可能左右波动，在有些时候甚至产生较大的波动。因此，必须在最后几个点中选择偏保守的点来计算，避免非预期临界。同时，控制棒的微分价值、硼的微分价值并非是一定的，其也会给外推带来干扰。
3. 独立进行外推计算。外推是指引临界的关键方法，必须建立屏障，避免由于计算失误导致策略错误。因此，必须两人以上同时进行外推计算，并选取保守值，确保反应堆的安全。
4. 制定停止标准，避免过渡引入正反应性。在引入正反应性时，确定好在什么情况下应该停止，并始终遵守。
2.2 功率变化中的反应性控制策略
反应堆在临界后，执行功率的升、降，在这个过程中通过控制棒、硼浓度、氙毒的变化来影响功率。
2.2.1 升功率中的反应性控制
升功率过程中会由于慢化剂温度效应和多普勒效应产生负反应性，为了提升功率就必须向堆芯引入正反应性。升功率可以通过稀释，或者提升控制棒的方式来引入正反应性。
升功率的同时会对堆芯的氙毒产生影响，由于氙毒的反应性比较大，必须在升功率策略中进行考虑。
如果是新堆或者反应堆停堆超过三天，已经没有氙毒，此时在升功率过程中氙毒会逐渐积累。当反应堆已经按照速率提升功率，由于氙毒逐渐增加，且引入大量负反应性，会导致堆功率的下降。此时，必须根据反应堆涨毒的特性，多次、少量的逐步进行稀释，来释放正反应性。在该阶段，首先要对氙毒上涨有预判，清楚氙毒上涨的趋势和量值。当稀释的需求逐渐放缓时，说明氙毒即将达到稳定，并及时停止稀释。
如果反应堆是从高功率降下来的，反应堆初期积累了一定的氙毒。如果氙毒已经稳定，则升功率在初期会有消毒的效应，在后期会重新涨毒向高功率稳定氙毒过渡。此种情况会先降后升，给控制带来困难。因此，必须结合升功率策略，制定硼浓度控制策略，避免前期过量硼化，后期过量稀释。
由于反应堆功率不能超过设计值，在逼近满功率过程中，应该减缓升功率速率，避免反应堆超功率而引发保护动作。由于氙毒的滞后效应，必须考虑其对维持满功率运行的影响。
2.2.2 降功率中的反应性控制
通过引入负反应性从而进行降功率，来补充功率亏损释放的正反应性。在压水堆核电站中，降功率可以通过插棒或者硼化的方式实现。降功率会导致氙毒发生变化，从而对反应性产生干扰。
如果通过插棒快速降功率，由于降功率速率比较快，氙毒上涨会比较多。在达到目标功率后，由于氙毒的持续上涨，必须要引入正反应性来平衡氙毒。在此种情况下，可以适当提升控制棒来补偿氙毒，也可以通过稀释来平衡氙毒。但是，在到达稳定后，平衡氙毒是相对下降的，最终需要进行硼化来补充平衡氙毒的影响。
如果通过硼化来降功率，由于控制棒保持在高位，在硼化初期反应堆功率下降。随后由于降功率产生的氙毒上涨效应，反应堆功率会持续下降。此时为了防止反应堆功率下降过多，必须及时采取稀释来弥补氙毒上涨带来的负效应。并根据氙毒上涨，调整降功率速率，来控制一回路冷热。氙毒上涨到峰值之后，会下降并向平衡氙毒过渡，最终趋向于稳定，此时应该通过硼化来补偿消毒的影响。该过程中，先少量硼化，然后根据氙毒变化进行稀释，在氙毒回头后再重新硼化。
如果是快速甩负荷导致的功率下降，由于后期氙毒上涨会比较快，因此需要采用大流量稀释来补偿负反应性。
2.3 △I的控制策略
在大型压水堆核电厂中，△I的控制一直是难点。其计算公式如下：
其中，PH为堆芯上部功率，PB为堆芯下部功率。其受到上、下部功率分布的影响，具体会受到燃耗、控制棒位置、硼、氙毒变化的影响。由于△I超过限值机组需要降低功率或者触发甩负荷，因此必须将其控制在限值范围内。
控制棒对△I的影响：控制棒对△I的影响，取决于控制棒所在的位置，以及该段功率分布情况。控制棒如果在堆芯上半部分，则插棒主要导致上部反应性相对下降，△I向负变化。△I变化的量，受到功率分布影响。如果控制棒在堆芯下半部分，则相反。对于叠步棒位，因为同一时刻上部和下部棒同时变化，对△I的影响需要具体分析。
稀释升功率对△I的影响：稀释导致反应性增加，功率上升，由于堆芯出口慢化剂温度上升，堆芯上部引入更多的负反应性，导致功率分布向下部倾斜，△I向负变化。此外，稀释导致堆芯内硼浓度下降，由于堆芯上部温度高，密度小，稀释引起单位体积内硼-10量的减少，下部会更多，从而导致下部功率增加相对更多，△I向负变化。
硼化降功率对△I的影响：硼化导致反应性下降，功率下降，由于堆芯出口慢化剂温度下降，堆芯出口释放一定正反应性，导致堆芯功率向上部倾斜，△I向正变化。此外，硼化导致单位体积内的硼-10增加，由于堆芯上部温度高，密度小，单位体积的硼增加小于下部，导致功率峰上移，△I向正方向变化。
燃耗对△I的影响：寿期初由于下部堆芯温度低，其反应性相对较多，导致下部功率相对较大。随着燃耗增加，下部燃料的消耗大于上部，功率峰会逐步向上部偏移，△I向正方向过渡。
氙毒对△I的影响：堆芯内氙毒的分布与中子通量分布相关，中子通量高的地方，相应的氙毒就大，而中子通量低的地方，相应的氙毒就小。氙毒对功率稳定有一定的抑制作用。但是，由于堆芯比较大，局部氙毒的变化与中子通量之间相互影响产生振荡，会导致功率波动，从而导致△I发生振荡。当发生振荡时，在进行稀释时候可以参照上面分析的，在氙毒向正方向波动时候，引入稀释，从而抑制氙振荡的波峰，逐渐消除氙振荡。
瞬态后△I的控制：在机组发生甩负荷后，由于氙毒会上涨，且此种情况下较容易引起氙振荡。为了防止氙毒上涨导致的过冷，建议快速进行稀释，而不仅通过提升控制棒来平衡氙毒。从上面的分析可知，稀释更有利于△I向负方向变化，避免其超过右限制线。此外，稀释对反应堆的影响更加均匀，更加不容易产生氙振荡。
3. 反应性操作的管理风险及策略
多起反应性相关事件，背后都暴露出个人和团队的行为问题。反应性操作过程中，除了技术原因外，人员行为的管控也是重点。造成事件的主要问题，归纳如下：
1. 时间压力。外部环境要求运行团队在一个既定的时间内完成工作，这会给运行团队心理造成压力。时间压力会导致人力紧缺，从而出现漏洞。
2. 错误的指令和信息误导。在一些事件中，团队中部分人员给出错误的信息，或者外部给出了错误的计算结果，对运行团队的控制产生干扰。导致团队对机组产生误判。例如错误的临界点、错误的反应性计算等。
3. 缺乏有效的屏障来避免失误。单一的人员执行反应性计算和操作，导致反应性操作被置于较危险的境地。
4. 人员知识和技能存在欠缺。例如对机组现象不够理解，对反应性操作缺乏量的概念等，容易导致操作失误。
5. 工作干扰。在执行反应性操作时，操纵人员如果被其余工作牵扯精力，会导致其出错的概率增加。
为了提高反应性操作的可靠性，核电厂需要对反应性操作建立工作标准，提出管理要求，减少工作失误。推荐的做法主要有：
1. 建立反应性操作的管理标准。对反应性相关操作提出管理要求，例如反应性操作要求监护，要求监视关键参数，对反应性计算要求独立核算等。
2. 规范反应性操作的工作计划。反应性相关的工作计划要提前制定，并经过相应人员的审核。计划变更也必须经过审核和评估，避免随意的变更带来风险。
3. 提供有效的培训。通过培训提高操纵人员反应性知识，提高反应性操作的能力。这种培训应该是分岗位、分阶段的系统化培训，提高整个团队的技术能力和团队协作水平。
4. 外部的技术支持。技术部门或者设计公司对堆芯的分析和论证，可以为操纵人员提供技术支持。例如在长期低功率运行，或者首堆达临界过程，堆芯设计部门的计算是重要的依据。
参考文献：
1. WANO,《SOER 2007-1 反应性管理》。
2. INPO, 《反应性控制中的薄弱项》。