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切爾諾貝利事故,技術(shù)原理層面講解

 Lcbfki7jfgtrtw 2019-11-10

1986年4月26日凌晨,東歐大平原,蘇聯(lián) 烏克蘭 普里皮亞季市南部。切爾諾貝利核電站四號反應(yīng)堆爆炸,堆芯熔毀,巨量的核污染被拋向全世界,造成數(shù)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(xiàn)在,最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,這次事故造成的死亡人數(shù)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(shù),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(xiàn)了鐳的放射性,鐳在放射的同時會產(chǎn)生一定的熱量。從此原子能的潘多拉魔盒被人類打開。

切爾諾貝利事故,技術(shù)原理層面講解

從此,核能產(chǎn)生的巨大能量開啟了人類的新紀(jì)元。當(dāng)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(chǎn)物,其中之一“氙”。就是此次事故的主角之一。同時有一定的質(zhì)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(yīng)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(yīng),這就是核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的微觀原理。

為了能讓這個鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自發(fā)進(jìn)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(dǎo)致了反應(yīng)不可控。所以就當(dāng)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(yīng)堆,也叫石墨慢化沸水反應(yīng)堆。

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

組成反應(yīng)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(yùn)動的中子。鈾238可以吸收快速運(yùn)動的中子,但是不會發(fā)生反應(yīng)。所以外層包裹石墨減速中子,保證能被鈾235吸以,產(chǎn)生反應(yīng)。所以石墨在這里起到的做用是促進(jìn)核反應(yīng)的物質(zhì)。要是聽不懂,就記住一句話石墨是促進(jìn)核反應(yīng)的。因?yàn)槭彩谴舜问鹿实闹鹘侵弧?/strong>

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

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

反應(yīng)堆當(dāng)時在進(jìn)行一次測試,測試內(nèi)容是在斷電的情況下,反應(yīng)堆的自動維護(hù)。因?yàn)閷U水排出,并將冷水匯入的水泵需要電力驅(qū)動。

為此,核電站配備了柴油發(fā)電機(jī),但是發(fā)電機(jī)的啟動需要一分鐘的時間,這一分鐘反應(yīng)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(qū)動的發(fā)電輪機(jī),它在這一分鐘內(nèi)因?yàn)閼T性作用應(yīng)該還在轉(zhuǎn)動,可以利用輪機(jī)的慣性給水泵發(fā)電,彌補(bǔ)這一分鐘的電力空當(dāng)。這個方法實(shí)驗(yàn)了三次都失敗了,第四次實(shí)驗(yàn)就是1986年4月26日。

下午四點(diǎn),核電站準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的四號反應(yīng)堆被下調(diào)功率,由平時正常的32億瓦降到了16億瓦??墒沁@個時候?yàn)蹩颂m首府基輔邊上的一個小電站突然關(guān)停導(dǎo)致用電緊張?;o電力局因此通知切爾諾貝利先不要關(guān)停實(shí)驗(yàn)。工作人員雖然答應(yīng)了,但是并沒有調(diào)回正常的功率,依然保持在16億瓦。

核電站的技術(shù)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(chǎn)物氙135,和硼一樣會直接吸收中子,使反應(yīng)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(yīng)產(chǎn)生影響??墒窃诠β蕼p半后,中子的生成量減小,不足以消耗掉氙135,這就導(dǎo)致了在這數(shù)小時內(nèi)氙135的濃度一直在大幅增長。

凌時1點(diǎn),功率從16億瓦降到7億瓦,準(zhǔn)備開始實(shí)驗(yàn),這就導(dǎo)致了中子產(chǎn)生的進(jìn)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(jīng)意識到了接下來會產(chǎn)生氙的問題,但是他不知道的是早在10小時前氙就已經(jīng)開始積累了。此時按照規(guī)定應(yīng)該做的就是關(guān)停反應(yīng)堆24小時,直到氙135通過自身衰變完全消失。

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

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

于是水泵斷電,等待輪機(jī)慣性產(chǎn)生的電力再次驅(qū)動水泵,由于水循環(huán)停止,反應(yīng)堆中的水開始沸騰產(chǎn)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(yīng)被加劇,于此同時,功率在2億瓦運(yùn)行的核反應(yīng)堆產(chǎn)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(yīng)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(yīng)已經(jīng)失控,迅速按下緊急關(guān)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(yuǎn)不會出現(xiàn)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(jìn)一步促進(jìn)反應(yīng)。

按照原來的設(shè)計,控制棒是為了加速反應(yīng),這樣裂變反應(yīng)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(dāng)時在場的所有人并不知道這一點(diǎn),所以急于插入控制棒,但首先進(jìn)入堆芯的不是硼,

而是石墨。

切爾諾貝利事故,技術(shù)原理層面講解

反應(yīng)在一瞬間急劇增加了上百億瓦,同時劇烈反應(yīng)讓反應(yīng)堆中的部分水瞬間氣化,產(chǎn)生的壓力扭曲了反應(yīng)堆,這就讓控制棒無法繼續(xù)插入,石墨被卡在了反應(yīng)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(yīng)堆頂端隨著一聲爆炸被拋向空中。

切爾諾貝利事故,技術(shù)原理層面講解

氧氣進(jìn)入反應(yīng)堆,一切能燃燒的物質(zhì)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(zhì)的石墨到處飛散。核電站的上空出現(xiàn)了一道幽藍(lán)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(zhì)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(shí)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(dǎo)致了它在很大程度上的無懈可擊。首先,輻射中會產(chǎn)生各種高能電磁波,主要是穿透力極強(qiáng)的X射線和伽馬射線。強(qiáng)烈的紫外線也會導(dǎo)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(xì)胞。

然而輻射中含有很多有質(zhì)量的射線,由于物質(zhì)都是由原子構(gòu)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(jìn)人體內(nèi)部,讓人體大部分分子發(fā)生電離,實(shí)際上就是把DNA、RNA蛋白質(zhì)等分子撞爛。

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

現(xiàn)存的細(xì)胞由于DNA破壞,無法實(shí)現(xiàn)特定的功能,很快全身內(nèi)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(yīng)堆采取緊急措施的電廠工作人員,在一周之內(nèi)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(xiàn)場圍觀、看熱鬧。

關(guān)于蘇聯(lián)官方在事件之初隱瞞消息這一點(diǎn),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(chǎn)生恐慌。而不是推卸責(zé)任。

即使四號反應(yīng)堆出現(xiàn)了如此嚴(yán)重的事故,其它的1.2.3.反應(yīng)堆并沒有因此停機(jī)。其中3號反應(yīng)堆一直運(yùn)轉(zhuǎn)到了2000年才被關(guān)停。原因是“窮”……

此次事故對全球環(huán)境造成了難以相像的負(fù)面影響,事件造成的死亡人數(shù)就因多種原因難以精確計算,其中蘇聯(lián)時期的刻意隱瞞使得統(tǒng)計工作變得非常困難,事故發(fā)生不久,蘇聯(lián)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(zāi)難發(fā)生了,蘇聯(lián)到底是怎樣應(yīng)對的呢?整個事件為什么會發(fā)展到差點(diǎn)毀滅整個歐洲的嚴(yán)重程度。蘇聯(lián)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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