切爾諾貝利核事故，隱藏在其中的科學(xué)知識(shí)

切爾諾貝利核事故中的科學(xué)知識(shí)，核電站與原子彈相關(guān)方面的一些工作原理。

切爾諾貝利核事故

切爾諾貝利事故中大型石墨沸水核反應(yīng)堆RBMK-1000核電機(jī)，為發(fā)生事故的反應(yīng)堆。

核電站與核裂變:

核能作為一種能源，其產(chǎn)生的原理為核裂變，通過(guò)核裂變我們得到所需要的能量進(jìn)行發(fā)電。

什么是核鏈?zhǔn)椒磻?yīng):

• 眾所周知核裂變是一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其較為普遍的一種反應(yīng)物質(zhì)為鈾235與中子反應(yīng)（中子撞擊鈾235），生成物為鋇56－141、氪36－92與3個(gè)中子。（鈾235易裂變反應(yīng)。）

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程圖示

• 由此，被一個(gè)中子撞擊過(guò)的鈾235會(huì)產(chǎn)生2－3個(gè)新的中子和大量的能量，而產(chǎn)生的三個(gè)中子會(huì)像之前反應(yīng)的一樣，去撞擊另外的3個(gè)鈾235，這樣反復(fù)下去形成核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這種反應(yīng)被廣泛用于核反應(yīng)堆與核彈當(dāng)中。（再補(bǔ)充一張表格）

慢中子和快中子對(duì)于不同核材料的中子裂變截面和裂變概率

熱量的產(chǎn)生:在此反應(yīng)中生成物的質(zhì)量小于反應(yīng)物，物質(zhì)的守恒定律所闡述了一個(gè)原理，即反應(yīng)物經(jīng)過(guò)反應(yīng)過(guò)后不論生成物為何種物質(zhì)，其反應(yīng)前后的物質(zhì)總質(zhì)量應(yīng)相等，這個(gè)反應(yīng)當(dāng)中有明顯的質(zhì)量虧損出現(xiàn)，愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程（E=mc*2）告訴我們消失的質(zhì)量會(huì)轉(zhuǎn)化為能量，并且以熱能的形式傳播出去。

核裂變所釋放的熱能被一些介質(zhì)吸收（冷卻劑水），水在吸收熱能之后蒸發(fā)成水蒸氣，這些水蒸氣經(jīng)汽輪機(jī)從而實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電，當(dāng)然也可以理解為核電站是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換所。（當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)切爾諾貝利采用的反應(yīng)堆是石墨沸水堆，石墨作為中子慢化劑，加熱輕水作為蒸汽。）

RBMK-1000石墨沸水堆:

1. 圖示中barras de combustible條狀的反應(yīng)物為燃料棒，里面裝有濃縮(20%左右，在rbmk－1000核反應(yīng)堆當(dāng)中鈾顆粒的濃度比20%要低的多)的鈾顆粒，燃料棒為鋯合金管其長(zhǎng)度大約為3.6米，而鈾也就是用作反應(yīng)的鈾235，經(jīng)過(guò)與中子的反應(yīng)，放出熱量。而在用于反應(yīng)的燃料當(dāng)中并不是所有鈾都可以進(jìn)行反應(yīng)，比如鈾元素的兩種同位素U235與U238，相較于U238同位素U235更適合鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
2. 放出的熱量被水吸收，圖中橘黃色箭頭為steam，帶動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以此發(fā)電，在此過(guò)程中冷卻水一直循環(huán)，以帶走熱量。
3. 在rbmk-1000石墨反應(yīng)堆中，為了控制反應(yīng)堆的反應(yīng)速率，加入了graphite（圖示中的灰色區(qū)域）作為慢化劑，也就是中子減速劑(重水或者石墨）以此達(dá)到減速中子的效果，使核裂變得以進(jìn)行，而在rbmk－1000核反應(yīng)堆當(dāng)中，減速劑為輕水，與重水相比較輕水使用廉價(jià)，但在安全性上沒(méi)有重水好。重水作為中子減速劑，它可以增加反應(yīng)速率，而當(dāng)核反應(yīng)堆溫度過(guò)高時(shí)，這些重水中會(huì)形成氣泡，當(dāng)重水減少時(shí)反應(yīng)堆速率也會(huì)同步降低，這便是反應(yīng)堆使用重水的好處。rbmk－1000核反應(yīng)堆采用輕水，與重水不同它多了一項(xiàng)能力就是吸收中子，同樣條件之下，溫度過(guò)高輕水蒸發(fā)，致使輕水吸收中子的能力減弱，而這些未被吸收掉的中子有會(huì)增加反應(yīng)堆反應(yīng)速率，也就是正反饋導(dǎo)致失穩(wěn)。
4. barras de control譯為控制棒（硼、鎘），控制棒的主要作用是在一定情況下可降低核反應(yīng)性，制成它的材料會(huì)吸收中子但不會(huì)與中子發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)將控制棒插入反應(yīng)堆或者取出反應(yīng)堆來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)核反應(yīng)堆反應(yīng)速率的控制，以此用來(lái)防止一些事故的發(fā)生，此反應(yīng)堆控制棒主體采用硼，但尖端部分為石墨。（以上僅僅為rbmk－1000核反應(yīng)堆的簡(jiǎn)單介紹）

在核反應(yīng)當(dāng)中，鈾原子分裂時(shí)反應(yīng)堆反應(yīng)功率升高，而由硼制成的控制棒則可以使反應(yīng)功率降低，與此同時(shí)冷卻劑水也能使反應(yīng)堆功率降低（輕水可形成空泡）。

切爾諾貝利安全測(cè)試內(nèi)容

切爾諾貝利核電站發(fā)生事故在一次斷電保護(hù)的測(cè)試當(dāng)中，該實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是進(jìn)行的一項(xiàng)安全測(cè)試測(cè)試。

下面簡(jiǎn)單闡述測(cè)試過(guò)程:

1. 降低反應(yīng)堆的反應(yīng)效率，至一定功率。
2. 在斷電后，立即使柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)始工作，將鏈?zhǔn)椒磻?yīng)后生成物的熱量，通過(guò)水帶走，以防止反應(yīng)堆堆芯溫度過(guò)高而出現(xiàn)一些事故。
3. 在柴油發(fā)電機(jī)投入使用工作間隙，利用反應(yīng)堆堆芯所產(chǎn)生的余熱帶動(dòng)汽輪機(jī)工作些許時(shí)間，直到柴油發(fā)電機(jī)投入使用。（此期間記錄渦輪機(jī)的發(fā)電數(shù)據(jù)）

切爾諾貝利事故起源

切爾諾貝利核電站事故發(fā)生當(dāng)天，工作人員開(kāi)始將反應(yīng)堆功率降低用來(lái)模擬斷電情況，而在此時(shí)核電站被告知需要推遲測(cè)試原因是城市白天需要大量供電，在此不得已恢復(fù)一定功率。

在此后再進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于反應(yīng)堆長(zhǎng)時(shí)間低功率運(yùn)行，已經(jīng)有了毒化現(xiàn)象（出現(xiàn)了氙，氙在反應(yīng)堆中可以降低反應(yīng)堆功率，而它原本在正常情況下會(huì)被中子抵消），長(zhǎng)時(shí)間的低功率運(yùn)行使得氙越積越多，造成反應(yīng)堆功率無(wú)法短時(shí)間內(nèi)升高，溫度一度降低。

而不幸的是當(dāng)時(shí)的操作人員希望馬上提高反應(yīng)堆的功率，他們將控制棒全部被拔出致使反應(yīng)堆堆芯冷卻，在一通亂搞之后他們勉強(qiáng)將反應(yīng)堆功率提高了一點(diǎn)點(diǎn)，當(dāng)時(shí)僅僅有200兆瓦，但這仍舊無(wú)濟(jì)于事。（這時(shí)因?yàn)榉磻?yīng)堆功率過(guò)低，已經(jīng)不適合測(cè)試）

核電站室內(nèi)圖片

再次致命的操作源自于操作長(zhǎng)選擇在此時(shí)繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，開(kāi)始進(jìn)行斷電測(cè)試，水泵停轉(zhuǎn)、反應(yīng)堆失去了冷卻劑，因?yàn)橹翱刂瓢舯话纬龇磻?yīng)堆同樣也失去了可以限制其反應(yīng)的關(guān)鍵性東西。

水中的空泡越來(lái)越多，由于正反應(yīng)性空泡系數(shù)的存在，反應(yīng)速率增加:此時(shí)的反應(yīng)堆堆芯好比一匹脫韁的野馬沒(méi)有了約束，反應(yīng)堆反應(yīng)性大幅度增加，隨之而來(lái)的功率升高，溫度劇增使反應(yīng)堆內(nèi)殘留的水出現(xiàn)了汽泡（水作為中子吸收劑，但由于大量的水蒸發(fā)導(dǎo)致中子增多），汽泡的出現(xiàn)又使得反應(yīng)堆反應(yīng)性急劇增加，導(dǎo)致反應(yīng)堆功率升高。（這一階段反應(yīng)堆開(kāi)始不受控制）

此時(shí)操作員決定使用反應(yīng)堆的保險(xiǎn)裝置，即緊急停堆按鈕，（在按下按鈕后，所有的控制棒會(huì)完全插入進(jìn)反應(yīng)堆，致使反應(yīng)性下降并終止核反應(yīng)，在RBMK-1000石墨沸水堆中這個(gè)可以使反應(yīng)堆停止的按鈕叫做AZ－5，但由于控制棒在設(shè)計(jì)上的不完善，導(dǎo)致它在使用時(shí)存在很大的安全隱患。）

不幸的是:控制棒尖端部分是石墨，石墨可增加反應(yīng)堆反應(yīng)速率，在AZ－5按鈕被按動(dòng)后，原先被拔出的控制棒理應(yīng)全部被插回反應(yīng)堆。而控制棒插入需要一定的時(shí)間，恰恰在這極短的時(shí)間里，控制棒尖端的石墨接觸到了堆芯，反應(yīng)堆的反應(yīng)性迅速增高，溫度巨增使得水瞬間蒸發(fā)，水蒸氣的大量出現(xiàn)讓管道出現(xiàn)受損，控制棒無(wú)法完全插入反應(yīng)堆，阻止反應(yīng)堆功率升高，隨后的時(shí)間里水蒸氣越積越多并引發(fā)了后來(lái)的第一次爆炸，第一次爆炸使反應(yīng)堆內(nèi)部暴露在了空氣當(dāng)中，石墨與空氣中的氧氣接觸引發(fā)了第二次爆炸。

由于rbmk－1000核反應(yīng)堆沒(méi)有安全的保護(hù)外殼，致使大量的放射性有害物質(zhì)進(jìn)入大氣、土壤，并在之后長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的時(shí)間里影響著歐洲。

（爆炸使堆芯暴露，并引發(fā)了大火反應(yīng)堆散發(fā)出大量高輻射物質(zhì)至空氣當(dāng)中，輻射覆蓋了大面積區(qū)域，事故核輻射大約使1650平方千米的土地受到了污染）

切爾諾貝利事故總括

RBMK-1000反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，其中一個(gè)原因是工作人員的操作不當(dāng)，另一個(gè)原因?yàn)榉磻?yīng)堆采用石墨為控制棒的尖端部分。

這次事故所釋放出的輻射線劑量大約是廣島原子彈的放出的400倍。事故發(fā)生時(shí)就奪去了56人的生命，在其周?chē)貐^(qū)上萬(wàn)人由于放射性物質(zhì)的長(zhǎng)期影響死亡或患上重病，到目前為止仍有被放射影響而導(dǎo)致畸形胎兒。

核能作為清潔能源，在不久的將來(lái)伴隨煤炭等部分不可再生能源的枯竭，核能越發(fā)凸顯其舉足輕重的地位，對(duì)于核能我們不必?fù)?dān)心，它不同于核彈不會(huì)爆炸，核電站對(duì)此有著許多安全措施，因此放心讓核能走進(jìn)我們的生活。

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