切尔诺贝利中，在RBMK反应堆控制棒尖端为什么要设计一截石墨？
首先，我们得明白RBMK反应堆（Реактор Большой Мощности Канальный，意为“大功率通道式反应堆”）与我们现在更熟悉的压水堆（PWR）或沸水堆（BWR）在设计上有显著的不同。RBMK是一种石墨慢化、水冷、热中子反应堆。它的独特之处在于，慢化剂（让快中子变慢，以便更容易被铀235吸收）是固定在反应堆堆芯内的石墨砖，而冷却剂（吸收裂变产生的热量）则是流过燃料通道的水。这种设计在很大程度上简化了结构，也使得它可以直接利用天然铀或低浓缩铀作为燃料，这一点在当时苏联的经济和技术条件下具有一定的吸引力。
现在，让我们聚焦到控制棒。在任何核反应堆中，控制棒都扮演着至关重要的角色，它们是调节反应堆功率、启动和停止反应堆的关键装置。控制棒通常由能够强烈吸收中子的材料制成，比如硼、镉或铪。当控制棒插入堆芯时，它们会吸收大量中子，从而降低链式反应的速率，降低功率。反之，将控制棒拔出，则会增加中子数量，提高功率。
那么，为什么RBMK的控制棒尖端要设计一截石墨呢？这涉及到RBMK反应堆一个非常特殊的物理特性，也就是“正的空泡系数”。
为了理解这个“空泡系数”，我们需要先了解一下堆芯中的水。在RBMK反应堆的设计中，冷却剂水在承受高温高压时，会在燃料棒周围形成蒸汽泡（空泡）。这些蒸汽泡的形成，对链式反应的速率有影响。
负的空泡系数（理想情况）：如果一个反应堆设计具有负的空泡系数，这意味着当冷却剂中的水变成蒸汽（形成空泡）时，链式反应的速率会下降。这是因为水本身除了是冷却剂，也充当了一部分慢化剂，并且会吸收一部分中子。当水变成蒸汽，其密度大大降低，慢化能力减弱，吸收中子的能力也随之减弱，这会导致中子利用率降低，从而抑制链式反应。大多数现代反应堆设计都追求负的空泡系数，以确保更高的安全性。
正的空泡系数（RBMK的问题）：然而，RBMK的设计却具有一个正的空泡系数。这意味着，当冷却剂中的水形成蒸汽泡时，链式反应的速率反而会增加。这是因为在RBMK的堆芯设计中，石墨是主要的慢化剂。水虽然也能慢化中子，但它同时也会吸收中子。当水变成蒸汽，其密度急剧下降，对中子的吸收能力也大大减弱。同时，蒸汽泡占据了原来水的位置，使得更多的中子能够与石墨（慢化剂）或燃料中的铀235发生碰撞，从而增加了链式反应的几率。
这种正的空泡系数是RBMK反应堆最令人担忧的设计缺陷之一。这意味着，如果反应堆的功率突然上升，导致冷却剂温度升高，生成更多的蒸汽泡，反而会进一步加速功率的上升，形成一种危险的正反馈循环。
现在，我们终于可以回到控制棒尖端的石墨了。
在RBMK的设计初衷中，控制棒尖端的石墨顶盖被引入，是为了在某些特定操作场景下，抵消一部分控制棒插入时的不利影响，或者说是在低功率区域，增加一些“操作上的灵活性”。
让我们分析一下控制棒插入时的物理过程：
1. 正常工作时：控制棒插入堆芯，吸收中子，降低功率。
2. 低功率操作时：当控制棒被部分拔出，尤其是在低功率运行时，堆芯内的中子通量可能相对较低。
3. 石墨的作用：控制棒尖端的那段石墨，其作用与堆芯中的石墨慢化剂类似，但它是作为控制棒的一部分。当控制棒被稍稍拔出（例如，从完全插入到插入一半）时，石墨尖端虽然不能像吸收材料那样直接阻碍链式反应，但它本身不是一个强中子吸收体。相反，石墨会慢化一些快中子。
关键在于，当控制棒（特别是用硼或镉制成的棒体）完全插入时，它会吸收大量中子。然而，如果尖端是石墨，那么在控制棒刚刚开始被拔出的阶段，石墨尖端会取代一部分吸收材料。这个时候，由于石墨的慢化作用，尤其是当堆芯中存在大量的低能中子时，拔出石墨尖端可能不如拔出吸收性材料那样立即显著地增加中子数量。
更重要的是，当控制棒完全拔出时，末端的石墨部分会留在堆芯里。这个石墨部分会起到慢化中子的作用。对于RBMK来说，石墨慢化剂的存在是其链式反应得以持续的基础。
那么，这个石墨尖端是如何在一定程度上“抵消”不利影响的呢？
在RBMK反应堆的操作规程中，有一个非常关键的低功率操作阶段，尤其是在启动反应堆时。在这种状态下，如果操作人员将控制棒（包含吸收材料的棒体）完全拔出，以期启动反应堆，那么控制棒尖端的石墨就会留在堆芯的最底部。
考虑一下RBMK的“正的空泡系数”以及它在低功率和低冷却剂流速下的表现。在这种情况下，堆芯中的中子能量可能相对较低。此时，如果控制棒（吸收材料）被完全拔出，而石墨尖端留在底部，那么这个石墨尖端对中子的作用就显得有些微妙。
在低功率和控制棒“即将”完全拔出时：当控制棒的吸收材料部分离开堆芯，但石墨尖端还在时，石墨会吸收一部分快中子，并将其慢化。虽然石墨本身也会吸收一些中子，但它最主要的作用是慢化。
石墨尖端留在堆芯时：想象一下，当操作人员在低功率状态下，将控制棒拔出，直到它的大部分吸收材料离开堆芯，但末端的石墨尖端还在堆芯底部。这时候，石墨的存在会局部地增加该区域中子的慢化。
然而，这个设计恰恰是酿成悲剧的导火索之一。
在1986年4月26日的那次事故中，操作人员在进行一次不成功的安全测试时，首先试图降低反应堆功率。但由于一系列操作失误和反应堆固有的不稳定性，反应堆的功率反而开始异常升高。
在尝试停止反应堆时，操作人员启动了紧急停堆系统，即按下“AZ5”按钮。这个按钮的设计是让所有控制棒（包括尖端的石墨部分）快速落下。
此时，石墨尖端的“负面”作用就暴露出来了。在事故发生的那个特定时刻，反应堆处于一个非常不稳定的状态：功率虽然在下降，但由于之前的操作，堆芯内已经形成了大量蒸汽泡，使得“正的空泡系数”效应变得非常显著。
当AZ5按钮被按下，控制棒开始落下。但由于是石墨尖端先插入堆芯，然后才是吸收材料部分。在最开始插入的那一瞬间，尖端的石墨并没有立即吸收中子，反而起到了慢化作用。
对于RBMK来说，在当时那种高功率、高蒸汽泡的条件下，慢化剂（石墨）的增加，意味着链式反应的速率进一步加快。这就好像在火上浇油，本想扑灭火焰，却反而让火势更旺。
这种“先石墨后吸收材料”的插入顺序，加上RBMK的“正的空泡系数”，导致了在紧急停堆过程中，反应堆的功率发生了瞬间的、巨大的飙升，远远超过了其设计极限，最终引发了灾难性的爆炸。
总结来说，RBMK反应堆控制棒尖端的石墨设计，初衷是为了在低功率操作时，提供一种“变通”的方式，使其在某些控制棒刚刚开始拔出时，能够有一个慢化剂的存在，从而在一定程度上“平滑”反应堆的响应。然而，这种设计并未充分考虑到在极端工况下，特别是当堆芯中存在大量蒸汽泡时，石墨的慢化作用会如何叠加到“正的空泡系数”上，从而引发灾难性的后果。它暴露了RBMK反应堆设计上一个深刻的、致命的缺陷。
网友意见
这截石墨叫displacer，或者说置换剂。长度是4.5m，只比核心长度7m短一些。除了12根自动功率调整用的控制棒外，其他控制棒都有这截石墨displacer。当控制棒处于正常上止点时，这段石墨处于核心中间。（下面有图）
它有两个作用：
1.用来在控制棒未插入时，置换掉水，填充通道，增强反应率的（和石墨一样，轻水也是减速剂，但是对中子吸收比石墨大，因此此处如果是水，反应率会比用石墨填充来的低）。这样控制棒插入后会带来减少石墨和增加控制棒的双重效应，反应率的变化range更大，控制棒插入的效果更大，从而实现更有力的控制。
2.用来在控制棒未插入时，填充通道，使得整个核心横截面上燃料、减速剂、冷却剂分布对称均匀，这样中子流分布更均匀，从而减少局部stress。也是为了实现更好的控制。
所以此处设置石墨是很聪明的设计。
但缺陷是在过度拔出后，再次插入时，过长的石墨替换水，会导致反应率飙升。我们先看看从正常operational的位置插入。
正常插入：
下图描述了从正常上止点（operational position）插入时的核心垂直截面反应率变化：由于石墨比核心短一些，底部在插入时会产生石墨替代水的状况，造成局部反应率提高。具体提高的幅度，取决于反应堆的运行点，核心功率密度分布。但是范围小时间短，并不会引发事故。完全到位后就消停了。
过度拔出后再插入：
这是切尔诺贝利事故的case。
通常控制棒的上止点是被安全系统控制的。但事故中操作员手动关闭了系统，然后控制棒手动控制拔出，致使脱离了operational的上止点，完全拔出，石墨完全离开核心，如下图最左边（通常是检修换料等操作才会拔出到这样）。这样再次插入时，大段石墨重新进入核心，替换了水，大大增加了整个核心反应率。而且重新插入的棒数量很多，因为早先全拔出来了。再加上设计问题，控制棒周围水膜薄，活塞运动阻力大，整个插入需要18s。所以，不是越紧越好。
当时核心已经处于欠冷却过临界状态，这个操作完全就是强力引爆。
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