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切爾諾貝利事故,技術原理層面講解

1986年4月26日凌晨,東歐大平原,蘇聯 烏克蘭 普里皮亞季市南部。切爾諾貝利核電站四號反應堆爆炸,堆芯熔毀,巨量的核污染被拋向全世界,造成數萬人死亡,33萬人被迫離開家園,60萬人受到不同程度核輻射。事故最危險的時候,一度將整個歐洲推向毀滅的邊緣。

直到現在,最新的統計數據顯示,這次事故造成的死亡人數為20萬,這其中大部分是這個事故造成的慢性癌癥的死亡人數,時至今日烏克蘭、白俄羅斯的癌癥發(fā)病率仍明顯高于正常水平。

1898年居里夫人發(fā)現了鐳的放射性,鐳在放射的同時會產生一定的熱量。從此原子能的潘多拉魔盒被人類打開。

從此,核能產生的巨大能量開啟了人類的新紀元。當前人類的世界格局以及在核威懾下形成的長久和平都源于此。

用中子轟擊鈾235原子核,在原子核吸收了這個中子后會變成不穩(wěn)定狀態(tài),并迅速裂變成兩個中等大小的原子核,這個裂變過程會形成一系列的裂變產物,其中之一“氙”。就是此次事故的主角之一。同時有一定的質量衰減變成能量,并以射線和熱能形式放出。這也是從核裂變中獲得能量的來源。同時反應還會釋放出三個中子,釋放的中子如果再被鈾原子核吸收,就會繼續(xù)發(fā)生裂變反應,這就是核裂變鏈式反應的微觀原理。

為了能讓這個鏈式反應自發(fā)進行,就必須要保證鈾235的濃度。一般像原子彈這種武器級別的鈾235濃度都在90%以上,所以每一次裂變釋放的中子幾乎全部都能撞上鈾原子核,同時也導致了反應不可控。所以就當做武器用。

而核電站的鈾235濃度一般都在2%到5%之間。

切爾諾貝利采用的RBMK-1000反應堆,也叫石墨慢化沸水反應堆。

原理 就是利用反應產生熱量,加熱循環(huán)水產生蒸汽驅動發(fā)電機,同時循環(huán)水也可以將反應堆產生的熱量及時帶走以免反應堆被高溫破壞。

組成反應堆的核心,濃度3%左右的鈾235被做成柱狀并由石墨做為中子慢化劑包裹。為什么要有這個慢化劑呢?發(fā)電用的油原料除了3%鈾235以外,其余大部分是鈾238,鈾235能吸收慢速運動的中子。鈾238可以吸收快速運動的中子,但是不會發(fā)生反應。所以外層包裹石墨減速中子,保證能被鈾235吸以,產生反應。所以石墨在這里起到的做用是促進核反應的物質。要是聽不懂,就記住一句話石墨是促進核反應的。因為石墨也是此次事故的主角之一。

接下來還有一個最重要的東西由硼元素構成的“控制棒”,硼對中子的吸收力極強。當控制棒插入反應堆,能強力吸收并且固定住中子。以此停止反應

所以通過調整“控制棒”的插入數量跟深度就可以調節(jié)反應功率。大體原理就是這些。接下來,看看事故當時都發(fā)生了什么。

反應堆當時在進行一次測試,測試內容是在斷電的情況下,反應堆的自動維護。因為將廢水排出,并將冷水匯入的水泵需要電力驅動。

為此,核電站配備了柴油發(fā)電機,但是發(fā)電機的啟動需要一分鐘的時間,這一分鐘反應堆中累計的高溫同樣非常危險,這時有人想到了電廠蒸汽驅動的發(fā)電輪機,它在這一分鐘內因為慣性作用應該還在轉動,可以利用輪機的慣性給水泵發(fā)電,彌補這一分鐘的電力空當。這個方法實驗了三次都失敗了,第四次實驗就是1986年4月26日。

下午四點,核電站準備實驗的四號反應堆被下調功率,由平時正常的32億瓦降到了16億瓦??墒沁@個時候烏克蘭首府基輔邊上的一個小電站突然關停導致用電緊張?;o電力局因此通知切爾諾貝利先不要關停實驗。工作人員雖然答應了,但是并沒有調回正常的功率,依然保持在16億瓦。

核電站的技術骨干一般都在白天上班,晚上都是剛來不久的新人值班。

裂變過程中的副產物氙135,和硼一樣會直接吸收中子,使反應下降。正常情況下,巨量的中子會很快將氙135消耗掉。氙135吸收中子后會變成氙136,不再對反應產生影響。可是在功率減半后,中子的生成量減小,不足以消耗掉氙135,這就導致了在這數小時內氙135的濃度一直在大幅增長。

凌時1點,功率從16億瓦降到7億瓦,準備開始實驗,這就導致了中子產生的進一步下降,很快功率就不受控制的下降到了3000瓦。此時值班主任已經意識到了接下來會產生氙的問題,但是他不知道的是早在10小時前氙就已經開始積累了。此時按照規(guī)定應該做的就是關停反應堆24小時,直到氙135通過自身衰變完全消失。

當然這就意味著此次實驗的再一次失敗,代理總工程師顯然不愿意接受這一事實,于是說服了值班主任,并盡可能多的拔出控制棒,讓核反應堆自行恢復功率。

由于此次操作違反規(guī)定,總工程師命令關閉警報系統和控制棒的控制系統,完全改為手動控制。同時反應堆中的功率勉強維持在2億瓦,主任要求就在這個功率下進行測試。

于是水泵斷電,等待輪機慣性產生的電力再次驅動水泵,由于水循環(huán)停止,反應堆中的水開始沸騰產生氣泡,本來水對中子的吸收也有一定的作用,可是氣泡的形成讓這一效果下降,反應被加劇,于此同時,功率在2億瓦運行的核反應堆產生的中子很快便耗盡了其中的氙135,在氙濃度降低的同時,核反應功率開始上升,由開始的緩慢上升突然變成激增。

這時值班主任看到反應已經失控,迅速按下緊急關停按鈕,誰也不會想到這是一個毀滅性的操作,由于新人迫于值班主任的壓力,將控制棒完全拔出,這是正常情況下永遠不會出現的操作。而控制棒的低部是一段很長的石墨,我們前邊說過石墨會進一步促進反應。

按照原來的設計,控制棒是為了加速反應,這樣裂變反應物鈾235就不需要那么高的純度。一句話,鈾太貴了。用石墨可以部分代替。

可是當時在場的所有人并不知道這一點,所以急于插入控制棒,但首先進入堆芯的不是硼,

而是石墨。

反應在一瞬間急劇增加了上百億瓦,同時劇烈反應讓反應堆中的部分水瞬間氣化,產生的壓力扭曲了反應堆,這就讓控制棒無法繼續(xù)插入,石墨被卡在了反應堆的正中,最后一次顯示的功率為330億瓦,10倍于正常功率,堆芯在高溫下瞬間熔毀。1400噸的反應堆頂端隨著一聲爆炸被拋向空中。

氧氣進入反應堆,一切能燃燒的物質在高溫下迅速發(fā)生爆燃。劇烈的爆炸讓包裹著放射性物質的石墨到處飛散。核電站的上空出現了一道幽藍色的光柱,那是空氣中的原子在吸收高能射線變成激發(fā)態(tài),然后又回到非激發(fā)態(tài)時放出的光譜。

放射性物質借助爆炸的沖擊波以及大氣流動開始迅速身周圍飄散。

輻射對對一般人來說神秘又可怕,輻射確實可怕,但是,并不神秘。

從微觀來看很簡單,也正是作用原理的簡單導致了它在很大程度上的無懈可擊。首先,輻射中會產生各種高能電磁波,主要是穿透力極強的X射線和伽馬射線。強烈的紫外線也會導致皮膚曬紅,受傷。不同的是,伽馬射線會讓這個過程在一瞬間發(fā)生,并繼續(xù)作用于深層細胞。

然而輻射中含有很多有質量的射線,由于物質都是由原子構成的,而且真正有阻擋作用的原子核只占原子體積的萬分之一,所以這些比一般原子還小的粒子可以輕易穿過,沖進人體內部,讓人體大部分分子發(fā)生電離,實際上就是把DNA、RNA蛋白質等分子撞爛。

人體的一切構造和生命活動都是DNA上攜帶的遺傳信息指導的。比如干細胞,本來人體的細胞除了神經細胞以外,每七年就會更換一遍,這就是干細胞不斷根據DNA指引分化成不同功能的細胞代替老化的細胞??墒荄NA被破壞以后,這些干細胞會釋放繁衍天性無限增殖,也就是我們常說的癌變。

現存的細胞由于DNA破壞,無法實現特定的功能,很快全身內外,潰爛,人體的一切生命活動紊亂。

在發(fā)生爆炸以后,第一時間前來滅火的消防員以及在反應堆采取緊急措施的電廠工作人員,在一周之內變的不成人形,相繼死去。這種死法比凌遲殘忍千萬倍不止。

而旁邊的普里皮季亞市很快就暴露在致命的輻射中,而大部分人的生活依然照常,甚至還有很多人去事故現場圍觀、看熱鬧。

關于蘇聯官方在事件之初隱瞞消息這一點,在各種資料中了解到確有其事,不過目地很大程度上是為了防止人民對核能產生恐慌。而不是推卸責任。

即使四號反應堆出現了如此嚴重的事故,其它的1.2.3.反應堆并沒有因此停機。其中3號反應堆一直運轉到了2000年才被關停。原因是“窮”……

此次事故對全球環(huán)境造成了難以相像的負面影響,事件造成的死亡人數就因多種原因難以精確計算,其中蘇聯時期的刻意隱瞞使得統計工作變得非常困難,事故發(fā)生不久,蘇聯方面就禁止醫(yī)生在死亡證明上提及放射性的死因。

史無前例的災難發(fā)生了,蘇聯到底是怎樣應對的呢?整個事件為什么會發(fā)展到差點毀滅整個歐洲的嚴重程度。蘇聯究竟付出了什么樣的代價?下期再說

本文出自《斑斕可見》

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