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切尔诺贝利核事故,隐藏在废墟中的核能科学

2019-11-19  自石湾泿...

切尔诺贝利核事故,隐藏在其中的科学知识

切尔诺贝利核事故中的科学知识,核电站与原子弹相关方面的一些工作原理。

切尔诺贝利核事故

切尔诺贝利事故中大型石墨沸水核反应堆RBMK-1000核电机,为发生事故的反应堆。

核电站与核裂变:

核能作为一种能源,其产生的原理为核裂变,通过核裂变我们得到所需要的能量进行发电。

什么是核链式反应:

  • 众所周知核裂变是一种链式反应,其较为普遍的一种反应物质为铀235与中子反应(中子撞击铀235),生成物为钡56-141、氪36-92与3个中子。(铀235易裂变反应。)

链式反应过程图示

  • 由此,被一个中子撞击过的铀235会产生2-3个新的中子和大量的能量,而产生的三个中子会像之前反应的一样,去撞击另外的3个铀235,这样反复下去形成核链式反应,这种反应被广泛用于核反应堆与核弹当中。(再补充一张表格)

切尔诺贝利核事故,隐藏在废墟中的核能科学

慢中子和快中子对于不同核材料的中子裂变截面和裂变概率


热量的产生:在此反应中生成物的质量小于反应物,物质的守恒定律所阐述了一个原理,即反应物经过反应过后不论生成物为何种物质,其反应前后的物质总质量应相等,这个反应当中有明显的质量亏损出现,爱因斯坦的质能方程(E=mc*2)告诉我们消失的质量会转化为能量,并且以热能的形式传播出去。

核裂变所释放的热能被一些介质吸收(冷却剂水),水在吸收热能之后蒸发成水蒸气,这些水蒸气经汽轮机从而实现核能发电,当然也可以理解为核电站是一个能量转换所。(当时苏联切尔诺贝利采用的反应堆是石墨沸水堆,石墨作为中子慢化剂,加热轻水作为蒸汽。

RBMK-1000石墨沸水堆:

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切尔诺贝利核事故,隐藏在废墟中的核能科学

  1. 图示中barras de combustible条状的反应物为燃料棒,里面装有浓缩(20%左右,在rbmk-1000核反应堆当中铀颗粒的浓度比20%要低的多)的铀颗粒,燃料棒为锆合金管其长度大约为3.6米,而铀也就是用作反应的铀235,经过与中子的反应,放出热量。而在用于反应的燃料当中并不是所有铀都可以进行反应,比如铀元素的两种同位素U235与U238,相较于U238同位素U235更适合链式反应。
  2. 放出的热量被水吸收,图中橘黄色箭头为steam,带动汽轮发电机转动以此发电,在此过程中冷却水一直循环,以带走热量。
  3. 在rbmk-1000石墨反应堆中,为了控制反应堆的反应速率,加入了graphite(图示中的灰色区域)作为慢化剂,也就是中子减速剂(重水或者石墨)以此达到减速中子的效果,使核裂变得以进行,而在rbmk-1000核反应堆当中,减速剂为轻水,与重水相比较轻水使用廉价,但在安全性上没有重水好。重水作为中子减速剂,它可以增加反应速率,而当核反应堆温度过高时,这些重水中会形成气泡,当重水减少时反应堆速率也会同步降低,这便是反应堆使用重水的好处。rbmk-1000核反应堆采用轻水,与重水不同它多了一项能力就是吸收中子,同样条件之下,温度过高轻水蒸发,致使轻水吸收中子的能力减弱,而这些未被吸收掉的中子有会增加反应堆反应速率,也就是正反馈导致失稳。
  4. barras de control译为控制棒(硼、镉),控制棒的主要作用是在一定情况下可降低核反应性,制成它的材料会吸收中子但不会与中子发生反应,通过将控制棒插入反应堆或者取出反应堆来实现对核反应堆反应速率的控制,以此用来防止一些事故的发生,此反应堆控制棒主体采用硼,但尖端部分为石墨。(以上仅仅为rbmk-1000核反应堆的简单介绍)

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在核反应当中,铀原子分裂时反应堆反应功率升高,而由硼制成的控制棒则可以使反应功率降低,与此同时冷却剂水也能使反应堆功率降低(轻水可形成空泡)。

切尔诺贝利安全测试内容

切尔诺贝利核电站发生事故在一次断电保护的测试当中,该实验实际上是进行的一项安全测试测试。

下面简单阐述测试过程:

  1. 降低反应堆的反应效率,至一定功率。
  2. 在断电后,立即使柴油发电机开始工作,将链式反应后生成物的热量,通过水带走,以防止反应堆堆芯温度过高而出现一些事故。
  3. 在柴油发电机投入使用工作间隙,利用反应堆堆芯所产生的余热带动汽轮机工作些许时间,直到柴油发电机投入使用。(此期间记录涡轮机的发电数据)

切尔诺贝利事故起源

切尔诺贝利核电站事故发生当天,工作人员开始将反应堆功率降低用来模拟断电情况,而在此时核电站被告知需要推迟测试原因是城市白天需要大量供电,在此不得已恢复一定功率。

在此后再进行测试时,由于反应堆长时间低功率运行,已经有了毒化现象(出现了氙,氙在反应堆中可以降低反应堆功率,而它原本在正常情况下会被中子抵消),长时间的低功率运行使得氙越积越多,造成反应堆功率无法短时间内升高,温度一度降低。

而不幸的是当时的操作人员希望马上提高反应堆的功率,他们将控制棒全部被拔出致使反应堆堆芯冷却,在一通乱搞之后他们勉强将反应堆功率提高了一点点,当时仅仅有200兆瓦,但这仍旧无济于事。(这时因为反应堆功率过低,已经不适合测试)

核电站室内图片

再次致命的操作源自于操作长选择在此时继续进行测试,开始进行断电测试,水泵停转、反应堆失去了冷却剂,因为之前控制棒被拔出反应堆同样也失去了可以限制其反应的关键性东西。

水中的空泡越来越多,由于正反应性空泡系数的存在,反应速率增加:此时的反应堆堆芯好比一匹脱缰的野马没有了约束,反应堆反应性大幅度增加,随之而来的功率升高,温度剧增使反应堆内残留的水出现了汽泡(水作为中子吸收剂,但由于大量的水蒸发导致中子增多),汽泡的出现又使得反应堆反应性急剧增加,导致反应堆功率升高。(这一阶段反应堆开始不受控制)

此时操作员决定使用反应堆的保险装置,即紧急停堆按钮,(在按下按钮后,所有的控制棒会完全插入进反应堆,致使反应性下降并终止核反应,在RBMK-1000石墨沸水堆中这个可以使反应堆停止的按钮叫做AZ-5,但由于控制棒在设计上的不完善,导致它在使用时存在很大的安全隐患。)

切尔诺贝利核事故,隐藏在废墟中的核能科学

不幸的是:控制棒尖端部分是石墨,石墨可增加反应堆反应速率,在AZ-5按钮被按动后,原先被拔出的控制棒理应全部被插回反应堆。而控制棒插入需要一定的时间,恰恰在这极短的时间里,控制棒尖端的石墨接触到了堆芯,反应堆的反应性迅速增高,温度巨增使得水瞬间蒸发,水蒸气的大量出现让管道出现受损,控制棒无法完全插入反应堆,阻止反应堆功率升高,随后的时间里水蒸气越积越多并引发了后来的第一次爆炸,第一次爆炸使反应堆内部暴露在了空气当中,石墨与空气中的氧气接触引发了第二次爆炸。

切尔诺贝利核事故,隐藏在废墟中的核能科学

由于rbmk-1000核反应堆没有安全的保护外壳,致使大量的放射性有害物质进入大气、土壤,并在之后长达数十年的时间里影响着欧洲。

(爆炸使堆芯暴露,并引发了大火反应堆散发出大量高辐射物质至空气当中,辐射覆盖了大面积区域,事故核辐射大约使1650平方千米的土地受到了污染)

切尔诺贝利核事故,隐藏在废墟中的核能科学

切尔诺贝利事故总括

RBMK-1000反应堆发生爆炸,其中一个原因是工作人员的操作不当,另一个原因为反应堆采用石墨为控制棒的尖端部分。

这次事故所释放出的辐射线剂量大约是广岛原子弹的放出的400倍。事故发生时就夺去了56人的生命,在其周围地区上万人由于放射性物质的长期影响死亡或患上重病,到目前为止仍有被放射影响而导致畸形胎儿。

核能作为清洁能源,在不久的将来伴随煤炭等部分不可再生能源的枯竭,核能越发凸显其举足轻重的地位,对于核能我们不必担心,它不同于核弹不会爆炸,核电站对此有着许多安全措施,因此放心让核能走进我们的生活。

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