切尔诺贝利核电站事故详解(上):反应堆原理与事故发生的过程

1986年4月26日,在苏联的普里皮亚市,切尔诺贝利核电站的第四号机组发生重大爆炸,反应堆堆芯熔毁,巨量的核污染被毫无保留地抛向全世界。

切尔诺贝利核电站事故详解(上):反应堆原理与事故发生的过程

上图为已爆炸的四号核反应堆堆芯↑

截至目前,根据来源不同的各方资料显示,该事故至少造成了数万人的死亡,33万人被迫离开家园流离失所,60多万人受到的巨量的核辐射,在该事故最严重的时候,一度将整个欧洲推向了毁灭的边缘…… 根据现在的各方报告资料,死亡人数从一开始的4000多人升至了9.3万人,直到最近一次的估算死亡人数为20万人(绝大部分死亡人数是因为此事件造成的慢性癌症的死亡人数)当时在此地生下的婴儿也绝大部分出现了畸形等症状……

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上图为刚刚出生的畸形婴儿↑

该事故的影响一直保留到了现在,当今白俄罗斯与乌克兰的癌症发病率仍远高于正常水平……当然该事故的影响也会继续下去。本次,我会为大家详细讲解该事故的发展缘由,同步给大家科普一下伤害人体的原理与核电站的结构。

能量,是文明生存与发展的基础,人类每一次社会与科技的革新,都伴随着能量技术的突破与应用,从人力→畜力→风力与水力→化石燃料,人类使用的能量密度也在不断地增大,其利用率的增长带来的就是社会生产力的大爆发,人们都知道能量不能凭空产生或消失,只能通过在不同形式之间相互转化,而人类正在做的,就是让能量向某个特定的形式转化,更好地为我们人类的懒惰来服务,带来社会的发展。 但是能量的失控也会带来种种灾难。

1898年,随着居里夫妇发现了镭的放射性,其在放射的同时不断的释放出光与热,原子能的潘多拉魔盒首次被人类打开。

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不管原子能是天使或是魔鬼,无论是能够毁灭全人类,还是开启人类的新纪元,其所能够带来的巨大能量,让人类垂涎三尺。当今世界和平的格局也都是建立在核威慑之上的。

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上图为中国第一颗原子弹爆炸时的情景↑

随着原子弹的爆炸过程中释放了巨大的能量,人类想利用其烧开水的愿望也随之出现了。

原理:将中子轰击铀235原子核,当铀235原子核吸收了这个中止后会处于不稳定状态,并迅速裂变成两个或三个中等大小原子核,这种裂变反应最终会产生各种裂变反应物,包括后面的重点物质——Xe氙,同时并伴随着一部分的质量衰减,变成能量以射线与热能的方式辐射出。

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以上便是裂变核反应堆的能量来源,并且在有235原子核裂变之后,会产生三个中子,继续撞击下一个铀235原子核,形成链式反应,持续释放能量

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以上便是核裂变的微观原理

所以 ,为了保证该链式反应持续进行,就必须保持裂变反应物铀235的浓度。一般用于制造武器的铀235浓度为90%以上,这样才能保证有235原子核撞击后的三个中子能够继续撞击另外三个铀235原子核,将能量毫无保留的释放出来造成杀伤与毁灭。可是核电站的有235,浓度一般在2%到5%。

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以上为切尔诺贝利核电站RBMK-1000反应堆↑

现在我们来看一看切尔诺贝利核电站所采用的RBMK-1000核反应堆,也叫做石墨慢化沸水反应堆。沸水意思就是烧开水,循环的冷却水经过反应堆,烧干后再抽出反应堆,利用其产生的蒸汽驱动发电机发电,同时,点的够戗,反应堆所产生的内能带走,以免反应堆被高温烧毁。

但是想要角七处石墨慢化的含义,就要系统的了解一下该反应堆的整体:先将3%浓度裂变反应物铀235制成柱状,作为反应堆的核心,并且用石墨作为中子慢化剂包裹。为什么要石墨来“慢化”?这是由于反应堆核心除了3%的铀235外,主要成分是铀238,这个铀的同位素不会参与裂变反应,

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但是会吸收高速中子,而铀235裂变反应时产生的中子速度都比较快,极易被铀235吸收,但其对慢性中子的吸收能力差,相反,铀235对慢性终止的吸收率极高,而石墨却能够让中子从减速,所以,石墨的作用虽然是慢化,但是用来加速反应的。而原子弹90%以上的铀235浓度,其不需要慢化剂。石墨也是这个事故的主角之一。

而组成反应堆芯的物质中还有一样最重要的—B硼。其可以吸收并固定大部分中子,用于阻止和反应继续进行。当控制棒完全插入核反应堆时,通过石墨减速的慢中子会完全被硼吸收,而没有经过减速的快中子也不会被铀235吸收,极易被铀238捕获,使其停止链式反应,进而停止核反应。

所以,通过控制核反应堆堆芯控制棒的插入深度,就可以控制和反应的剧烈程度,进而控制整个核反应堆。以上即是石墨慢化核反应堆的具体原理(当然具体细节也有很多,想知道可以问百度)

知道具体结构与原理之后,我们就可以了解一下是发的那个凌晨。当时,核反应堆正在进行一个测试:即在国家电网完全断电的情况下,核电站等自动维护功能。由于核电站的将核反应堆废水排出与冷水灌入的水泵需要电力驱动,而国家电网断电之后,启动核电站自带的柴油发电机驱动水泵仍需要一分钟左右的时间,即使将链式反应完全停止,但所累积的热量也是致命的,所产生的放射性物质也是致命的。各种物质的裂变衰变仍在继续。有人提出,在断电后的一分钟,水泵可能因为惯性在转动继续带动水的循环,以弥补这一分钟的电力空档。

但新的方法从提出到实践仍需有各种问题,当前核电站进行了三次实验都失败了(中国古话,事不过三)。1986年4月25日4时,核电站准备进行第四次实验,将运行功率从32亿瓦下降至14亿瓦,并准备进一步下调功率以魔力断电关停状态,以减速汽轮机的转动是否坚持一分钟。而基辅旁边的一个水电站突然关停导致基辅的用电紧张,该电力局通知核电站暂时停止进行实验,持续发电以缓解用电紧张,等到十小时后的凌晨再进行实验,电厂厂长卡布诺夫答应了。

但为了省事,仍然保持核电站以半功率16亿瓦运行。

但这种做法导致两个大问题:

  1. 核电站的技术骨干与重要工作人员,一般在白天上班,晚上只剩下刚来工作不久的新手。而这次的复杂操作担子压到了并不熟悉操作的年轻操作员身上。26日凌晨,新手操作员托布诺夫在核电站工作时长仅为四个月,接到这个任务很懵逼,不过幸好有一个有经验的操作员阿基诺夫来监控。
  2. 裂变反应物中的副产物有一个碘135,且一段时间后就会衰变为氙135,其可以直接吸收中子,导致反应功率下降,而产生的氙会弥漫在堆芯不像硼可控。不过在正常功率运行下,巨量的中子能够迅速消耗产生的氙135,其吸收中子后会变成氙136不再影响反应,但这次是但功率运行,中子产生量小,氙的消耗速度慢。但是碘135人在继续衰变为氙135,因此在实验十小时内,氙1351直弥漫在堆芯,而厂长似乎不知道/没意识到这个问题。
切尔诺贝利核电站事故详解(上):反应堆原理与事故发生的过程

该故事的关键人物——电厂代理总工程师迪亚特诺夫

迪亚特诺夫被命令由他来监视并操控这场测试。26日凌晨一点测试正式开始,在操作员托图诺夫的指挥下,核电站的功率从原来的16亿瓦下降至目标7亿瓦。但是问题很快就出现了——随着反应堆功率的持续下降,氙135含量谁知更快的上升,其吸收中子阻碍核反应的作用开始浮现,很快就是功率下降不受控制。

核电站的功率从7亿瓦不可控的降到了3千万瓦,此时的值班主任阿基诺夫意识到产生了氙的问题,但是他不知道的是,氙早在十多个小时之前就已经在产生。此时,按照核电站的操作章程,需要将核反应堆紧急关闭24小时,让其中的氙135自我衰变消失。

但是,代理工程师显然不愿意接受这个结果,于是说服值班主任,要尽可能地拔出核反应棒,恢复运行功率,准备再次重启实验。由于这种操作违反了安全程序规定,他命令关闭了警报系统.控制棒自动控制系统并改为手动。但由于反应堆中的氙135总量仍然很大,211根控制棒中的205根控制棒全拔出后功率回复缓慢,最后勉强维持了两亿瓦。但是迪亚特诺夫要求就在这个功率下测试。

于是水泵断电,等待轮机靠惯性驱动水源。弥补一分钟的启动空档。但由于反应堆的水循环停止,反应堆中的水开始沸腾,产生气泡。本来水对中子也有吸收作用,但由于气泡产生减缓了对中子的吸收,核反应加剧,同时,反应堆中的碘135消耗殆尽,

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氙135没了来源,中子急剧增多,核反应呈不可控式上涨,且反应功率上涨代表着更多中子的产生,加速氙的消耗,进一步提升反应功率。其结果就是,反应功率从开始的缓慢上升变为超高速上升。

看到急剧增长的反应数字,值班主任阿基诺夫已经意识到核反应已经失控而迅速按下了AZ-5核反应堆的关停按钮。这使所有的控制棒迅速插入硼中,阻止反应继续,但这样做的结果就是——毁灭性操作!!

由于年轻操作员迫于迪亚特诺夫的压力极速回复反应功率,共205根控制棒被完全拔出硼芯,这是正常操作不可能出现的事情,这是因为,控制棒的底部是一段很长的石墨。前面提到过石墨是反应堆的中子慢化剂用于加强核反应。按照原设计,提升控制棒是为了加剧核反应,原来硼的位置完全由石墨代替,更显著促进反应,这样裂变反应物铀235就不需要太高的浓度,就像美剧《切尔诺贝利》中所说的——这样做更省钱。可是在场的人却都没有意识到这一设计带来的问题。

所以,首先进入铀燃料棒的不是硼而是石墨。核反应在一瞬间上升到上千亿瓦,变得极具不可控制。且剧烈反应产生的热量是堆芯中的水迅速融化变成蒸汽,其压力使中间的铀燃料棒弯曲,使硼芯不可能完全插入燃料棒中间停止反应。

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石墨也就卡住在反应堆的正中间,时反应更加剧烈。在核反应堆的最后一次读数显示反应功率已经上升到了330亿瓦(十倍于正常功率)!堆芯在超高温下瞬间被融毁随后,1400吨的反应堆顶盖被蒸汽抛向空中,氧气并随之进入反应堆,一切可能燃烧的物质发生爆燃。其巨大的爆炸式包裹着大量放射性元素的石墨飞向天空。核电站的上空还出现了一道幽蓝色的光柱,那是由于空气中的原子吸收的高能射线后变成高能激发态再回到非激发态过程时所释放的光谱。

其实,在正常的核裂变核反应堆中,所发出的光芒也是幽蓝色↓

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但是,代理总工程师迪亚特诺夫称操作并无大碍,是设计缺陷与质量问题。不过,大量的放射性物质和石墨在爆炸后飘入大气,随风飘向了欧洲……

不过,苏联政府等下层官员认为此件事情并无大事。等到事故发生许久之后,才向中央报告。而苏联的中央政府意识到这个问题之后,动员了一场史无前例的全国动员救援!!!在下期,我会为大家详解——核辐射是如何对人体造成伤害与苏联的全国动员救援过程!!!

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