切尔诺贝利核电站电影是怎么爆炸的又是怎么善后的

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切尔诺贝利核电站是怎么爆炸的又是怎么善后的
&&记者 冯云浓 综合报道&&&&&&现在来预测福岛核电站事故的最终影响,还为时过早。让我们暂时回到20年前,来看看前苏联切尔诺贝利核电站事故发生后的情况。&&切尔诺贝利核电站是前苏联的第一座核电站,它是前苏联技术和工业的象征,离基辅市区104公里,所发的电供基辅市200多万居民使用。它有4个核反应堆,4号反应堆最新,运行仅有3年。&&制图 高薇&&核电站发电的原理&&核电站最主要的设备有4个:核反应堆、汽包、水泵和汽轮机。&&核反应堆就好比一个大高压锅,里面盛了很多水。水里竖着一束束的燃料棒,即铀棒。铀棒每时每刻都在发生核裂变,产生大量的热,将周围的水烧开,变成蒸汽。&&蒸汽通过汽包,最后带动汽轮机运转发电。而汽轮机发的电,带动主水泵,主水泵往核反应堆注水,防止核反应堆过热,同时产生蒸汽……如此循环,这是核电站发电的原理。&&原理听起来很简单,其实这需要一种非常精巧的平衡:铀棒在不断产生热量,如果进入反应堆的水太多,水来不及汽化,产生的蒸汽太少,汽轮机就不能正常运转。进入的水太少,反应堆会过热,有爆炸危险。&&水量的控制,由水泵完成。而铀棒裂变的速度,由控制棒来控制。&&控制棒吊在核反应堆的水面上方,可以提升和放下。当控制棒插入水里与铀棒接触时,控制棒吸收铀棒放射出的中子,从而控制铀棒核反应的速度。&&插得越深,铀棒核反应的速度越慢,产生的蒸汽也越少。&&同样的,当控制棒提得越高,铀棒核反应的速度越快,产生的蒸汽量也越大,汽轮机运转得也越快,表现出来,就是发电量越大。&&&&&&切尔诺贝利核电站是怎么爆炸的?&&日凌晨,在切尔诺贝利核电站上夜班的年轻工程师们接到一项任务,对4号反应堆进行安全测试:模拟一旦汽轮机出现故障停止运转,核电站是否还有足够的电能控制铀棒的核反应速度,以及在主水泵无法使用的情况下,备用水泵能否将足够的冷却水,引入到核反应堆,防止核反应堆过热。&&这是一项难度并不很高的测试,1号、2号、3号反应堆已进行过多次这样的测试,但4号反应堆还没做过。&&这项测试主要由三个年轻工程师担任,控制核反应堆的列昂尼德、控制水泵的鲍里斯和控制汽轮机的尤里卡尼,他们分别在不同的控制室。&&这项测试原本放在白天进行,白天有更多的高级工程师在场,但白天测试会影响基辅的用电,所以临时改到了半夜。&&测试开始后,控制核反应堆的列昂尼德,首先将一些控制棒插入水里,以减少蒸汽量,从而减少功率。&&开始一切正常,但20分钟后,核反应堆的功率突然快速下降,产生的蒸汽远远少于正常量,列昂尼德连忙将一些控制棒从水里拔出。&&控制水泵的鲍里斯也开始了测试,他关闭了主水泵,启动了两个备用水泵。&&他也遇到了同样的问题:水泵开得太大了,进入反应堆的水太快太多了,这使得经过铀棒的水来不及汽化,核反应堆产生的蒸汽更少了。&&为了让汽轮机获得足够多的蒸汽,鲍里斯决定把水注入汽包。汽包内水量的多少,可以调节蒸汽的压力,从而影响汽轮机的正常工作。&&但他送入汽包的水同样太多了,多余的水进入了反应堆,使得反应堆产生的蒸汽量进一步减少。&&&&&&温度飙升了100倍&&此时,控制核反应堆的列昂尼德发现了异常,为了让蒸汽量恢复到正常水平,他继续从水里拔出控制棒。&&4号反应堆总共有211根控制棒,核安全操作准则规定,控制棒在水里的数量绝对不能少于26根,但列昂尼德认为别无选择,他只保留了6根,其余的全部拔出。&&205根铀棒同时发生核裂变,反应堆内的温度迅速上升。&&这时,进入反应堆的水量就非常关键,必须要有足够的水,才能冷却铀棒,让反应堆内的温度维持在正常水平。&&糟糕的是,控制水泵的鲍里斯和控制反应堆的列昂尼德之间的联系中断了,鲍里斯并不知道列昂尼德将几乎所有的控制棒都拔了出来,他切断了水源。&&仅几分钟,没有足够冷却水的核反应堆内的温度就超出了正常的100倍,局面变得无法控制。&&日凌晨1点多,切尔诺贝利核电站的4号反应堆发生爆炸,爆炸产生的冲击力将反应堆上面重达2000吨的钢顶掀开,80吨重的高放射性燃料被抛向空中。&&&&&&消防员死伤大半&&4分钟后,核电站的消防员赶到现场。经过4个小时战斗,大火在凌晨5点多被扑灭,参与灭火的69名消防员,其中31人直接死于核辐射,其他的也都得了急性放射性综合征。&&据后来接受采访的消防队长说,开始他们并不知道这是一起严重的核泄漏事故,还以为是一起普通的火灾。&&&&&&爆炸一天后&&旁边小镇居民撤离&&切尔诺贝利核电站的员工和家属共数万人,都住在离核电站仅3公里远的一个小镇上,刚开始,他们并不知道事态的严重性。&&36个小时后,他们接到通知,全部撤离。下午2点通知下来,到下午5点,小镇就变成了一座空城。由公共汽车和卡车组成的车队绵延15公里。&&直到现在,这座小镇仍是一座空城。&&&&&&为防止核燃料进入地下水&&反应堆下面临时铺上混凝土板&&爆炸发生两天后,切尔诺贝利核电站的放射性尘埃落到了欧洲境内,10天后,放射性浮云扩散到了美国和日本等国家,当时各国一片恐慌。&&为了阻止放射性物质进一步扩散,前苏联出动了1800架次直升机,往4号反应堆里空降了5000吨化学物质,用来吸收辐射物质。&&不过当时苏联当局最担心的还不是尘埃,而是担心核燃料烧穿核反应堆的底壳,进入地下水,那将是灾难性的——104公里远、200万人口的基辅也将不保。&&为了搞清楚底壳到底有没有被烧穿,核电站派人冒死进入爆炸后的核反应堆底部查看情况,结果情况还好,底壳没有烧穿。&&多年以后,这名勇士接受采访时说,当时他真的不愿意下去,但没办法。&&不过当局还是不放心,担心以后会烧穿,他们决定在反应堆下面铺一层厚厚的混凝土板,将4号反应堆与地下水彻底隔开。&&400名矿工24小时轮班作业,用了半个月,在反应堆下面,挖出了一条168米长的隧道,混凝土板安装到位。&&&&&&4号反应堆最终被埋了起来&&在反应堆残骸里,还有200吨铀和1吨更致命的钚在混凝土板上方,自然情况下,它的辐射危害会持续很多年。&&当局认为,夜长梦多,最好的办法是围绕整个4号反应堆建造一个巨大的混凝土墓,将这些残渣永远埋在下面。&&这项工作交给了军队。&&士兵们穿着重达30公斤重的防辐射铅服,先将地面上的爆炸残骸扔回到4号反应堆坑里。每个人只工作三分钟,但这也已经让他们受了很强的核辐射。据说,这次行动大大缩短了数千名士兵的生命。&&206天后,4号核反应堆的屏蔽罩工程才完工,200吨的铀和1吨的钚,被永远埋在了混凝土墓下面。&&&&&&切尔诺贝利核电站&&此后又运行了15年&&4号核反应堆爆炸事故发生后,周围30公里的无人区被设为管制区,禁止普通民众前往,至今还没有开放。&&尽管这里太危险,不能居住,但考虑到当时全国用电紧张,而1号、2号、3号反应堆都是安全的,所以在4号核反应堆的屏蔽罩工程完工后,核电站的工作人员,又回到了原来的工作岗位,每天坐车进入管制区,这些人中也包括当时控制4号核反应堆的列昂尼德、控制水泵的鲍里斯和控制汽轮机的尤里卡尼。&&因为事故调查委员会认为,这起事故的主要原因是核电站的管理混乱造成的,与工程师的操作没有直接关系,所以3人没有吃官司。&&此后,切尔诺贝利核电站又继续运行了15年,直到2000年12月,才终于永久性地被关闭。&&为了确保灾难不会重演,前苏联修改了与切尔诺贝利核电站设计相近的核反应堆。各个国家后来新建的核反应堆,也吸取了切尔诺贝利核电站事故的教训,减少了操作工犯错的可能性,安全性也变得更高。&&日本福岛核电站 会不会是第2个切尔诺贝利核电站?&&按照国际原子能机构“国际核事件分级表”的规定,核安全事件从低到高,分为7级,其中1级至3级为事件,4级至7级为事故。级别每提高一级,代表影响扩大10倍。&&切尔诺贝利核电站的事故等级为最高级的“7级”。&&截至昨晚,日本原子能安全保安院仍将福岛核电站的事故等级定为4级,即有局部危害。但法国、美国一些机构则认为,情况可能要糟得多。&&据日本共同社称,负责监控世界核相关活动的美国智库“科学与国际安全研究所(ISIS)”15日就福岛第一核电站事故发表观点,称“情况已相当严重”,指出此次事故已接近“6级”,甚至可能会上升至与切尔诺贝利核电站事故相同的“7级”。&&不过哪怕真到了7级,我们也不用太恐慌,距离是对核辐射最有效的防护伞。日本离我们有1000多公里远呢。想当年,切尔诺贝利核电站爆炸后,仅把周围30公里设为管制区,对104公里外的基辅人民的生活基本没影响,甚至在苏联解体后(1991年),基辅还成为了乌克兰的首都。想想看,如果辐射真的那么可怕,哪个敢把首都设在那里呀。
[] [] [] []切尔诺贝利核事故 你所不了解的8件事
  【环球网综合报道】日,苏联切尔诺贝利核电站发生爆炸事故,放射性物质大量泄漏。《历史》网站()探寻当年这场史上最严重的核事故发生的种种原委,认为人们今时今日仍受到它的影响。该网站还曝出了8个关于切尔诺贝利的不为人知的事情。
  1、反应堆的紧急安全系统处于关闭状态
  的切尔诺贝利核电站拥有四个功率为1000兆瓦的RBMK-1000型反应堆,另外还有两个在建的核反应堆。4月25日到26日晚,1986年,苏联工程师在停机维护之前对四号机组进行了涡轮测试。 为了测试,他们不明智地关闭了紧急核心冷却系统和其它关键的安全设备。 随之而来一系列操作错误,产生了大量蒸汽,造成反应堆过热。凌晨1时23分,爆炸发生,火球冲破反应堆的钢筋混领土封盖,射向天空。 后面一系列的火灾加剧了放射性物质的泄漏。据了解,切尔诺贝利核电站事故释放的辐射量至少是广岛和长崎原子弹的100倍。
  2、清理工作比最初的爆炸&更致命&
  虽然爆炸规模巨大,但据当时的报道,切尔诺贝利爆炸只造成了两名核电站工作人员的死亡,还有一人死于心脏病发作。相比之下, 在清理工作开始的的前几个月,有28名工人和消防员死于急性辐射中毒,还有数十人患上严重疾病。 严重的放射性尘埃,甚至向西扩散至和。 成千上万的儿童因饮用受辐射污染的牛奶而罹患甲状腺癌,其中至少有15人死亡。
  3、苏联政府曾试图掩盖真相
  切尔诺贝利核电站事故发生后,苏联公民被蒙在鼓里,政府也没有向邻国发出警告。然而,4月28日,的空气监测机构发现大气中有大量可能来自苏联的辐射。在舆论压力下,苏联政府承认切尔诺贝利事故已造成两人死亡,但仍谎称局势已经得到控制。直到5月6日,苏联当局才关闭了在基辅的学校,而乌克兰的首都仅距核电站约65英里(105公里),居民被要求留在家中。事故发生的相关细节在数年后才被披露。
  4、大量民众有家不能回
  核电站事故发生大约36小时后,苏联当局开始疏散住在附近的居民,大约115000人,很多人已经开始呕吐和头痛。 由于认为很快就会被允许回家,居民们留下了他们的宠物和贵重物品。 然而,出乎意料的是,18.6英里内所有地方都被封锁并被限制进入。尽管还是有几百名居民非法返回该地区,但绝大多数地方仍没有人烟。
  5、切尔诺贝利已成为动物的&天堂&
  森林重新覆盖了这片曾经的工业和农业地区。人烟稀少,没有射杀和毒害,像驼鹿、红鹿、狼、猞猁、棕熊、老鹰这样的动物开始在切尔诺贝利的隔离区中避难。奇怪的是,切尔诺贝利地区已经成为一个独特的生物多样性保护区。尽管有些物种能够茁壮成长,但辐射污染潜在的致命影响已开始显现,如鸟嘴变形。
  6、切尔诺贝利核电站在数年后才被关闭
  四号机组爆炸后,其他三个反应堆也被关闭。尽管国际社会谴责反应堆存在设计缺陷和严重污染,但在大约一年半以后这些反应堆又被重新启动,成千上万的核电站工作人员继续工作。1991年,二号机组因涡轮火险问题被关闭。1995年,乌克兰同意关闭的剩下的两个核反应堆,以换取7国集团的经济援助。 据了解,一号机组在1996年停止运行,三号机组是在2000年被关闭。
  7、切尔诺贝利已经成为&恐怖&的旅游景点
  尽管仍不适宜人类生活,乌克兰当局还是在2011年开放了禁区,发展旅游业。 从那时起,导游经常带着游客去看野生动物,探索被遗忘的鬼城景点&&普里皮亚季,一个人口曾经超过45000人的小镇。为了减少在辐射下的暴露时间,导游都会携带测试仪,告诉客人不要在外面吃东西或吸烟。
  8、对事故的清理仍在进行
  冒着对健康的极大危险,救援人员在处理事故的过程中,把砂子、铅块和硼砂覆盖在反应堆的堆芯上,并且清除了易燃杂物。事故发生后,他们当中的一些人为防止核物质泄漏做着&绝望的尝试&。工人们将反应堆&埋葬&在一个巨大的混凝土结构之下,被称为&石棺&。然而随着时间的推移,石棺在遭受长年自然侵蚀后,开始倒塌并出现泄露。如果一切顺利,&新安全封闭&计划将会把一个拱形建筑物平移至&石棺&上,随后将拱形建筑物合拢。但根据乌克兰政府的消息,2065年以前,清理工作不会结束,自然环境中的放射性粒子仍将影响数代人。
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切尔诺贝利核电站是怎么爆炸的又是怎么善后的
  现在来预测福岛核电站事故的最终影响,还为时过早。让我们暂时回到20年前,来看看前苏联切尔诺贝利核电站事故发生后的情况。
  切尔诺贝利核电站是前苏联的第一座核电站,它是前苏联技术和工业的象征,离基辅市区104公里,所发的电供基辅市200多万居民使用。它有4个核反应堆,4号反应堆最新,运行仅有3年。
  制图高薇
  核电站发电的原理
  核电站最主要的设备有4个:核反应堆、汽包、水泵和汽轮机。
  核反应堆就好比一个大高压锅,里面盛了很多水。水里竖着一束束的燃料棒,即铀棒。铀棒每时每刻都在发生核裂变,产生大量的热,将周围的水烧开,变成蒸汽。
  蒸汽通过汽包,最后带动汽轮机运转发电。而汽轮机发的电,带动主水泵,主水泵往核反应堆注水,防止核反应堆过热,同时产生蒸汽……如此循环,这是核电站发电的原理。
  原理听起来很简单,其实这需要一种非常精巧的平衡:铀棒在不断产生热量,如果进入反应堆的水太多,水来不及汽化,产生的蒸汽太少,汽轮机就不能正常运转。进入的水太少,反应堆会过热,有爆炸危险。
  水量的控制,由水泵完成。而铀棒裂变的速度,由控制棒来控制。
  控制棒吊在核反应堆的水面上方,可以提升和放下。当控制棒插入水里与铀棒接触时,控制棒吸收铀棒放射出的中子,从而控制铀棒核反应的速度。
  插得越深,铀棒核反应的速度越慢,产生的蒸汽也越少。
  同样的,当控制棒提得越高,铀棒核反应的速度越快,产生的蒸汽量也越大,汽轮机运转得也越快,表现出来,就是发电量越大。
  切尔诺贝利核电站是怎么爆炸的?
  日凌晨,在切尔诺贝利核电站上夜班的年轻工程师们接到一项任务,对4号反应堆进行安全测试:模拟一旦汽轮机出现故障停止运转,核电站是否还有足够的电能控制铀棒的核反应速度,以及在主水泵无法使用的情况下,备用水泵能否将足够的冷却水,引入到核反应堆,防止核反应堆过热。
  这是一项难度并不很高的测试,1号、2号、3号反应堆已进行过多次这样的测试,但4号反应堆还没做过。
  这项测试主要由三个年轻工程师担任,控制核反应堆的列昂尼德、控制水泵的鲍里斯和控制汽轮机的尤里卡尼,他们分别在不同的控制室。
  这项测试原本放在白天进行,白天有更多的高级工程师在场,但白天测试会影响基辅的用电,所以临时改到了半夜。
  测试开始后,控制核反应堆的列昂尼德,首先将一些控制棒插入水里,以减少蒸汽量,从而减少功率。
  开始一切正常,但20分钟后,核反应堆的功率突然快速下降,产生的蒸汽远远少于正常量,列昂尼德连忙将一些控制棒从水里拔出。
  控制水泵的鲍里斯也开始了测试,他关闭了主水泵,启动了两个备用水泵。
  他也遇到了同样的问题:水泵开得太大了,进入反应堆的水太快太多了,这使得经过铀棒的水来不及汽化,核反应堆产生的蒸汽更少了。
  为了让汽轮机获得足够多的蒸汽,鲍里斯决定把水注入汽包。汽包内水量的多少,可以调节蒸汽的压力,从而影响汽轮机的正常工作。
  但他送入汽包的水同样太多了,多余的水进入了反应堆,使得反应堆产生的蒸汽量进一步减少。
  温度飙升了100倍
  此时,控制核反应堆的列昂尼德发现了异常,为了让蒸汽量恢复到正常水平,他继续从水里拔出控制棒。
  4号反应堆总共有211根控制棒,核安全操作准则规定,控制棒在水里的数量绝对不能少于26根,但列昂尼德认为别无选择,他只保留了6根,其余的全部拔出。
  205根铀棒同时发生核裂变,反应堆内的温度迅速上升。
  这时,进入反应堆的水量就非常关键,必须要有足够的水,才能冷却铀棒,让反应堆内的温度维持在正常水平。
  糟糕的是,控制水泵的鲍里斯和控制反应堆的列昂尼德之间的联系中断了,鲍里斯并不知道列昂尼德将几乎所有的控制棒都拔了出来,他切断了水源。
  仅几分钟,没有足够冷却水的核反应堆内的温度就超出了正常的100倍,局面变得无法控制。
  日凌晨1点多,切尔诺贝利核电站的4号反应堆发生爆炸,爆炸产生的冲击力将反应堆上面重达2000吨的钢顶掀开,80吨重的高放射性燃料被抛向空中。
  消防员死伤大半
  4分钟后,核电站的消防员赶到现场。经过4个小时战斗,大火在凌晨5点多被扑灭,参与灭火的69名消防员,其中31人直接死于核辐射,其他的也都得了急性放射性综合征。
  据后来接受采访的消防队长说,开始他们并不知道这是一起严重的核泄漏事故,还以为是一起普通的火灾。
  爆炸一天后
  旁边小镇居民撤离
  切尔诺贝利核电站的员工和家属共数万人,都住在离核电站仅3公里远的一个小镇上,刚开始,他们并不知道事态的严重性。
  36个小时后,他们接到通知,全部撤离。下午2点通知下来,到下午5点,小镇就变成了一座空城。由公共汽车和卡车组成的车队绵延15公里。
  直到现在,这座小镇仍是一座空城。
  为防止核燃料进入地下水
  反应堆下面临时铺上混凝土板
  爆炸发生两天后,切尔诺贝利核电站的放射性尘埃落到了欧洲境内,10天后,放射性浮云扩散到了美国和日本等国家,当时各国一片恐慌。
  为了阻止放射性物质进一步扩散,前苏联出动了1800架次直升机,往4号反应堆里空降了5000吨化学物质,用来吸收辐射物质。
  不过当时苏联当局最担心的还不是尘埃,而是担心核燃料烧穿核反应堆的底壳,进入地下水,那将是灾难性的――104公里远、200万人口的基辅也将不保。
  为了搞清楚底壳到底有没有被烧穿,核电站派人冒死进入爆炸后的核反应堆底部查看情况,结果情况还好,底壳没有烧穿。
  多年以后,这名勇士接受采访时说,当时他真的不愿意下去,但没办法。
  不过当局还是不放心,担心以后会烧穿,他们决定在反应堆下面铺一层厚厚的混凝土板,将4号反应堆与地下水彻底隔开。
  400名矿工24小时轮班作业,用了半个月,在反应堆下面,挖出了一条168米长的隧道,混凝土板安装到位。
  4号反应堆最终被埋了起来
  在反应堆残骸里,还有200吨铀和1吨更致命的钚在混凝土板上方,自然情况下,它的辐射危害会持续很多年。
  当局认为,夜长梦多,最好的办法是围绕整个4号反应堆建造一个巨大的混凝土墓,将这些残渣永远埋在下面。
  这项工作交给了军队。
  士兵们穿着重达30公斤重的防辐射铅服,先将地面上的爆炸残骸扔回到4号反应堆坑里。每个人只工作三分钟,但这也已经让他们受了很强的核辐射。据说,这次行动大大缩短了数千名士兵的生命。
  206天后,4号核反应堆的屏蔽罩工程才完工,200吨的铀和1吨的钚,被永远埋在了混凝土墓下面。
  切尔诺贝利核电站
  此后又运行了15年
  4号核反应堆爆炸事故发生后,周围30公里的无人区被设为管制区,禁止普通民众前往,至今还没有开放。
  尽管这里太危险,不能居住,但考虑到当时全国用电紧张,而1号、2号、3号反应堆都是安全的,所以在4号核反应堆的屏蔽罩工程完工后,核电站的工作人员,又回到了原来的工作岗位,每天坐车进入管制区,这些人中也包括当时控制4号核反应堆的列昂尼德、控制水泵的鲍里斯和控制汽轮机的尤里卡尼。
  因为事故调查委员会认为,这起事故的主要原因是核电站的管理混乱造成的,与工程师的操作没有直接关系,所以3人没有吃官司。
  此后,切尔诺贝利核电站又继续运行了15年,直到2000年12月,才终于永久性地被关闭。
  为了确保灾难不会重演,前苏联修改了与切尔诺贝利核电站设计相近的核反应堆。各个国家后来新建的核反应堆,也吸取了切尔诺贝利核电站事故的教训,减少了操作工犯错的可能性,安全性也变得更高。
  日本福岛核电站会不会是第2个切尔诺贝利核电站?
  按照国际原子能机构“国际核事件分级表”的规定,核安全事件从低到高,分为7级,其中1级至3级为事件,4级至7级为事故。级别每提高一级,代表影响扩大10倍。
  切尔诺贝利核电站的事故等级为最高级的“7级”。
  截至昨晚,日本原子能安全保安院仍将福岛核电站的事故等级定为4级,即有局部危害。但法国、美国一些机构则认为,情况可能要糟得多。
  据日本共同社称,负责监控世界核相关活动的美国智库“科学与国际安全研究所(ISIS)”15日就福岛第一核电站事故发表观点,称“情况已相当严重”,指出此次事故已接近“6级”,甚至可能会上升至与切尔诺贝利核电站事故相同的“7级”。
  不过哪怕真到了7级,我们也不用太恐慌,距离是对核辐射最有效的防护伞。日本离我们有1000多公里远呢。想当年,切尔诺贝利核电站爆炸后,仅把周围30公里设为管制区,对104公里外的基辅人民的生活基本没影响,甚至在苏联解体后(1991年),基辅还成为了乌克兰的首都。想想看,如果辐射真的那么可怕,哪个敢把首都设在那里呀。
记者 冯云浓 综合报道
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&民生帮帮帮切尔诺贝利核电站为什么会爆炸?
[注:近来日本福岛的核电站爆炸牵动了许多人的心。有些朋友建议我写一篇有关科反应堆科普文章,帮助读者了解一些公众关心的,和反应堆相关的知识。我在刚完成的科普书稿中正好有几节谈到这个问题,现将书稿中的一部分贴在这里,主要是讲切尔诺贝利核电站爆炸的原因。福岛的情况不同,我有时间再针对日本核电站的情况作一些补充。]
近几年国际事务中的一个热点就是伊朗的铀浓缩计划。以美国为首的西方国家极力试图阻止伊朗从事铀浓缩研究,认为伊朗的这性研究计划旨在制造核武器。而伊朗却否定这项指控,声明从事铀浓缩活动是为了和平利用原子能。
为什么一项铀浓缩活动会导致两个截然不同甚至是对立的结果呢?让我们从铀浓缩是怎么回事谈起。
世界上所有物质都是由分子组成的,分子由原子组成,原子由原子核和围绕原子核的电子组成,而原子核则是由核内的质子和中子组成,其中每一个质子带有一个正电荷,中子呈中性,不带电(这也是中子这个名称的由来)。在原子核这个层次,具有相同质子数的原子核我们称之为同一类元素,用更专业的话讲,叫同位素。比如,铀就是一种元素,它含有92个质子,我们把所有拥有92个质子的原子核都称为铀元素。但自然界中的铀原子核所含的中子数目却不一定相同。有些铀元素含有146个中子,这样一来,中子数加质子数,总和为238,被称为铀-238。另外一些铀元素含有143个中子,中子数加质子数为235,被称为铀-235。铀-238和铀-235被称为铀的同位素,自然界中还有一种铀的同位素是铀-234,含量非常之少。在自然界的这三种铀的同位素中,铀-235是最重要的一种工业原料,它可以作为核反应堆的“原料”,用于和平利用,产生核能。但它也可以作为一种特殊的“军火”材料,用于制造原子弹。伊朗的所谓铀浓缩计划,就是通过工业途径,制造高纯度的铀-235。西方国家怀疑伊朗要用这些高纯度的铀-235制造原子弹,伊朗则辨称他们要利用这些高纯度铀建立核反应堆,利用核能发电。那么高纯度的铀-235通过什么样的途径可以成为原子弹,什么样的途径用于核能发电呢?
铀-235有一个特殊性质,那就是它吸收了一个中子后,变成了铀-236,铀-236是一种不稳定的铀元素(铀同位素),所谓不稳定,就是它无法长时间存在,形成后立刻就会分裂成两块或两块以上的碎片。以分裂成两个碎片为例,分裂后的两个碎片是两个新的元素,一个是氪-92,一个是钡-141,同时,在这个过程完成后,还会释放出三个新的中子。释放出来的中子带有能量,所以我们可以通俗地把这个过程描述为,铀-235吃掉一个中子后,会裂变成为两个碎片,并释放出能量(由释放出来的中子携带)。假如我们把这个过程再往前推进一步,可以想象,释放出来的中子还可以被周围的铀-235原子核吃掉,再次发生裂变,释放出更多的中子,如果这个过程能够进行下去,就会形成一个类似雪崩的过程,有越来越多的铀-235发生裂变,释放出越来越多携带能量的中子,这个过程在物理学上称为链式反应。可以想见,当有足够的铀-235元素集中在一起时,这个链式反应会继续下去,在短时间内产生巨大的能量,如果不对这个链式反应的雪崩过程实施控制,这些能量的极限表现形式就是形成爆炸,这就是原子弹的原理。所以制造原子弹的基本思想就是找一块足够大的铀块,让链式反应能够连续进行到可以产生爆炸的程度就可以了。人们把能够产生这种不可控链式反应所需要的最小铀-235块的体积叫做临界体积。也就是说,超过这个体积的铀块通过裂变链式反应都会产生原子弹爆炸的效果。很容易理解,如果铀-235的浓度越高,产生裂变链式反应的外部环境越好。这就是制造原子弹需要浓缩铀的道理。
那么浓缩铀又是怎样用来建造核电站,用于和平目的呢?其实核电站产生核能的基本原理和原子弹产生核能的基本原理是一样的,不同的是,在核能的和平利用过程中,人们对核的裂变链式反应加入了人为的控制方式。
核电站的核心设备是一座原子核反应堆。反应堆的中心是一块可以产生可裂变反应的原料,称为核燃料,比如铀-235。用于反应堆的浓缩铀和用于原子弹的浓缩铀“浓缩”的含义也不尽相同。用于原子弹的浓缩以后的铀-235含量几乎是百分之百,而用于反应堆的铀-235的浓缩程度仅在10%以下(其余部分是铀-238,而在自然界中铀-235仅占铀储量的0.7%)。所以从本质上反应堆不会成为一颗原子弹。因为中子是产生核裂变过程的诱因,所以人为对裂变链式反应的控制主要反映在堆核燃料中中子数的控制上。有一种名字为镉的元素,对中子有很强的吸收能力,吸收了中子的镉不会发生裂变反应。所以人们用镉元素制成镉棒,用于控制核燃料(比如浓缩铀-235)中中子的数量。当全部镉棒插入核燃料中时,核燃料中的中子大多被镉棒吸收了,裂变反应无法持续进行。这时候反应堆处在“关闭”的状态,不产生核能量。当核电站开始工作时,镉棒从反应堆中被部分地提出来(非满负荷运转)或彻底提出来(满负荷运转)。这时候链式反应会发生,但在达到达某一个程度后,发生裂变的频率不再增加,因为多余的中子被镉棒吸收掉了,或由于核燃料体积不够大,多余的中子穿出核燃料,损失掉了。通过这种方式,人们可以控制核反应堆以不同的功率输出能量。这些能量大部分被收集起来用于发电,但也有一部分损耗在反应堆设备上,使设备发热。这就和汽车的工作原理类似,汽油燃烧后产生的能量大部分用于驱动汽车前进,但也有一部分能量损耗在汽车的运转零件上,使零件发热。为了使汽车能正常工作,必须引入冷却系统为零件降温。所以反应堆的堆芯,也即核燃料会封装在坚固的金属容器中放在水里。水在这里起有两个作用。一个是用来做冷却液,冷却运行中发热的反应堆设备,另外一个作用是“慢化”并“反射”从核燃料中逃逸出来的“快”中子。
为什么要慢化和反射中子呢?这是因为虽然不同能量的中子都可能引起铀-235发生裂变,但“慢”中子比“快”中子更容易被铀-235俘获,进而产生裂变。也即能量低的中子比能量高的中子更容易产生裂变反应。所以反应堆需要在核燃料堆芯的外围采用一些慢化材料来降低中子的能量。当一些快中子穿出核燃料体,和外围的慢化材料发生碰撞时,中子的能量在碰撞中传递给慢化材料,变成慢中子。而且慢化后的中子还可以被慢化材料“碰”回到核燃料体中,进而被铀-235俘获,发生裂变。所以慢化和反射逃逸出核燃料体的快中子可以更有效的利用中子源,提高裂变效率。
通过上面的介绍,读者应该了解到为什么浓缩铀既可以成为制造原子弹的原料,也可以成为和平利用核能的核电站的核原料。
1986年4月26日凌晨,位于前苏联乌克兰加盟共和国首都基辅以北约130公里处的切尔诺贝利核电站发生了剧烈爆炸,酿成了核工业史上最大的一场灾难。事故发生后的若干年间,有数万人死于核污染造成的伤害。事故的另一个巨大副作用是使原本就在民众心中顾虑重重的恐核心态变得更加沉重,致使核能源的和平利用过程在全球范围内变得更加举步维艰。
那么,切尔诺贝利核电站为什么会爆炸呢?如果读者有兴趣上互联网查询,您会看到许多不同的解释,包括操作大纲的不合理,操作人员的疏忽和渎职,反应堆设计结构的缺陷等等。难免看得一头雾水。也许这些原因都存在,不同程度的成为事故发生的肇因。但我们在这里要剪掉这些枝枝蔓蔓,从科学原理上为大家勾画出一个简单图像,看看这场事故中所涉及的和科学原理相关的原因。
用于核电站的核心设备是核反应堆,反应堆的原料是一个位于反应堆中心的核燃料体,我们仍以铀-235为例。当裂变在核燃料体中发生时,人们当然希望产生的裂变中子能够有效地用于产生下一个环节的裂变,使得链式裂变反应得以进行。而实际情况是,许多裂变中子是“快”中子,能量比较高,这样的中子不大容易被燃料体中的铀-235原子核所吸收。所以作为反应堆的另外两个核心组件是冷却系统和中子慢化反射系统。冷却系统用于冷却反应堆的设备元件,这些元件会因为接受部分核裂变产生的能量或由于自身的机械运转过程而发热。慢化反射系统的功能是将逃逸出核燃料体的“快”中子慢化,变成更容易被铀-235吸收的慢中子,然后将它们反射回到核燃料体中,促成核裂变的有效发生。在现代化的核反应堆中,人们聪明地将慢化反射系统和冷却系统合二而一,都用一个围绕在核燃料堆芯周围的水循环系统完成。
首先,我们从生活常识中知道,水是一种很好的冷却剂。汽车的冷却系统采用的是水,汽车发动机在高速运转时会在短时间内产生极高的温度,但冷却水循环系统却能够使汽车长时间稳定在发动机能够正常运转的温度上。在机械加工过程中,比如用车床加工金属零件,这个过程同样会产生高温,工人们采用的冷却方式也是水冷。
另外,对中子而言,水还一种很有效的慢化剂。水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成。所以水中有大量的氢原子核。而一个氢原子核的质量和一个中子的质量十分接近,这就使得氢原子核成为中子的很有效的慢化剂。为什么呢?我们举个通俗的例子来解释这个原理。假如我们把一个沉重的铅球放在一个光华的平面上,然后将一个乒乓球用力发射出去,去撞击那个铅球。结果会怎样呢?我们大家都能想象得到,铅球一定几乎纹丝不动,而乒乓球则会改变方向但会以几乎同样的速度沿着新的方向运动。这是什么意思呢?一个明显的意思就是乒乓球的运动能量基本没有改变,还是那么“快”。
假如我们把中子比作乒乓球,我们就可以推想,如果慢化材料的质量远远重于中子的质量,一个“快”中子打在上面,反射回来的还是快中子,起不到明显被慢化的作用。但假如我们用一个运动中乒乓球去打一个静止状态的乒乓球,会发生什么情况呢?很显然,原来静止中的乒乓球会发生运动,原来运动的乒乓球则把许多能量传给了原来静止中的乒乓球,自己会慢下来。也就是说,如果你用相近质量的原子核作为慢化剂,中子在和这些原子核发生碰撞后,就会把大量能量转移到这些原子核上去,自己则因为损失了能量而慢下来。所以,对中子而言,水是一种理想的慢化剂。
既然水是一种理想的冷却剂,又是一种理想的慢化剂,那么将反应堆的冷却系统和慢化系统合二而一当然就是一个十分聪明的设计了。
而实际上,对反应堆而言,这样做的聪明还不仅限于此。采用水循环系统同时做冷却系统和慢化系统还对反应堆的安全运行有重大意义。怎么说呢?我们上面讲过,铀-235更容易吃掉慢中子进而产生裂变反应。而对快中子则不那么敏感。也就是说,如果核燃料体中有太多快中子,裂变链式反应就不容易发生,反应堆甚至会因此停止运转。这样一来,一个“漂亮”的安全图像就十分清晰了:
假如,因为某种意外的原因,反应堆的冷却系统发生了故障,冷却水泄漏流失了。失去了冷却系统,反应堆运行系统在短时间内温度会急剧上升,后果不堪设想。但且慢,冷却水流失了,意味着产生慢中子慢化剂也没有了。没有足够的慢中子作为供应,核燃料铀235便没有足够的机会捕获中子,产生核裂变链式反应,链式反应停止后,也就意味着反应堆自动停止运行。也就没有了由于缺失冷却系统运行产生高温爆炸的恶果。
多漂亮!这就是科学的美丽,用智慧和知识结织出来的安全和平地利用能源的美丽图画。生活的富庶和美好常常是以这些科技美丽作为背景的。
遗憾的是切尔诺贝利核电站并没有采用这个聪明设计。事实上早期的核反应堆大多采用冷却系统和慢化系统分离的模式。冷却系统采用的是水冷的方式,但慢化系统采用的慢化剂是石墨。石墨是一种碳,对中子而言石墨同样是一种理想的慢化剂和反射剂。但自从用水同时作为冷却剂和慢化剂的理念出现以后,它的安全机理很快为科学界所认可,各国纷纷开始了反应堆的改造工作,截止到20世纪80年代中期,世界上已经很少有反应堆还继续沿用石墨作为中子的慢化材料。然而切尔诺贝利核电站却拒绝跟随这股世界潮流,一如既往地在电站中采用石墨反应堆作为裂变能源。
事故发生的起因是冷却系统出了问题,反应堆在运行中聚集的热量排遣不出去,迅速聚集起来。但石墨作为中子慢化材料继续履行着自己的职责,不断的将快中子慢化,并将它们反射回核燃料体中,维持着链式裂变反应地进行,加速聚集热能,很快导致反应堆发生高温,燃烧,进而爆炸。在爆炸燃烧中,石墨是碳,所以还充当了燃料的角色,“助纣为虐”,加剧了火势的蔓延和灾情的扩大。
人们在后来的事故反省和调查中,以石墨反应堆技术为出发点,总结了种种操作中人为的失误和操作规程的老化和不合理,发现大量原本不该发生的错误却在同一时间范围内十分巧合地相继发生。许多人感慨,这些错误哪怕有一项得以避免,就不会产生那么大的核灾难。但从科学的角度看,这些枝节上的技术失误并不具有本质上的科学相关性。而根本的失误只有一点,那就是不应该采用过时的,用石墨做中子慢化材料的老旧技术。假如这一点作了及时修正,切尔诺贝利核电站的悲剧就不会发生。
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