美国HBO新剧《切尔诺贝利》大火,让许多人再次回忆起了三十年前发生在前苏联的那场核电站事故。这场事故让许多人失去了健康甚至生命。
切尔诺贝利剧照
切尔诺贝利核电站到底是什么原因爆炸的?看过这部剧之后不妨读读本文,我将带着大家了解核电站的原理,并一步步介绍事故发展的原因和过程,你将重温1986年4月26日那个惊心动魄的时刻。
点开视频了解一下

1链式反应
核能,也叫原子能,是通过核反应从原子核里里释放出的能量。一百年前,爱因斯坦提出了著名的质能方程E=mc2,它表示一个物体的质量m与能量E之间存在正比的关系。如果原子核在核反应过程中质量发生了亏损,就会释放出巨大的能量。
核反应过程主要有三种:
  1. 核裂变:较重的原子核分裂成中等质量的原子核,并且释放能量。
  2. 核聚变:较轻的原子核聚合形成中等质量的原子核,并且释放能量。
  3. 核衰变:原子核放出电子、阿尔法粒子等粒子并变成其他原子核,释放能量。
核电站所利用的核反应,是铀235的裂变反应。1938年,德国科学家奥托.哈恩在柏林发现:用一个中子撞击铀235原子核时,碎片会变成钡141、氪92和三个中子。
铀的裂变
而且,这三个中子还可以继续撞击三个铀235原子核,形成9个中子,9个中子又可以撞击9个铀235原子核,形成27个中子…这个过程叫做链式反应。
链式反应
中子就像一根火柴,让核燃料在短时间内发生雪崩式的反应,释放出巨大的能量。后来,美国科学家费米、奥本海默等人,根据这个原理制成了世界上第一批原子弹:胖子和小男孩,加速了第二次世界大战的结束。
原子弹爆炸
2核电站

二战之后,核武器遭到了爱因斯坦等科学家的坚决抵制。科学家们发现,核能其实有更好的用处,比如发电。
发电机是如何工作的呢?中学我们就学过:让线圈在磁场中转动,线圈中就能够产生感应电流,这就是法拉第电磁感应定律。
发电机原理
也就是说,如果我们能让发电机转起来,就能够获得电能了。风力发电站依靠巨大的扇叶带动发电机,水电站利用水流的冲击带动发电机。
水电站原理
核电站和火电站的原理类似:它们都是依靠热量烧水,获得高温的水蒸气推动发电机。所不同的是:火电站依靠煤燃烧释放的热量来烧水,而核电站利用核反应产生的热量来烧水。
核电站
切尔诺贝利核电站使用的是石墨沸水堆(RBMK),这个核反应堆的基本结构如图:
RBMK核反应堆原理图
首先,人们把用作反应的高浓缩铀235燃料棒放在水管里,让水泵带动水流动,从下方经过燃料棒,被加热之后变成水蒸汽,从上方管口流出。加热后的水和水蒸汽混合物进入分离器分离,高温蒸汽带动涡轮机发电,热水和新注入的冷水混合,再次进入水泵。这样过,热的蒸汽流出,冷水再注入,不停的把燃料棒的热量带走,因为水冷却了反应堆,所以称之为冷却剂。
在燃料棒所在的水管之间,充满了石墨,它的作用是减速中子。铀235裂变反应产生的中子速度非常快,不容易被燃料棒的其他部分捕获,没有办法形成链式反应。如果让产生的中子撞击石墨,石墨就会拿走一部分中子的能量,中子会减速,更有利于被其它铀235捕获,促进链式反应的形成。石墨也被称为减速剂。
为什么原子弹爆炸这么剧烈,核电站却可以让核能缓慢释放呢?这就要归功于一个很关键的部件——控制棒了。控制棒由金属镉制成,可以吸收中子。它插在石墨中间,插入的深度可以调节。如果插入更多的控制棒,就可以吸收更多的中子,减弱链式反应;拔出更多地控制棒,就可以让中子尽情的和铀235反应,增强链式反应。
石墨沸水堆的基本原理就是这样:利用核燃料释放热量,把水烧开,用蒸汽推动涡轮机发电。周围的石墨用来减速中子,而控制棒控制反应速率。除了这个核心部位,核电站其余部分的原理与火电站并无太大差异。
核电站发电原理图
3切尔诺贝利事故
切尔诺贝利核电站为何会爆炸?其实事故并非平白无故,而是发生在一次断电保护测试实验的过程中。
对于核反应堆而言,如果把所有控制棒完全插入反应堆中,链式反应就会停止。但是,铀235裂变时产生的生成物钡和氪也具有放射性,可以在没有中子得时候继续衰变,持续放热,这在核电站中称为余热。
余热必须被带走,否则反应堆有熔毁风险。因此,反应堆中的冷却剂——水必须要一直循环,这就要求水泵具有断电保护能力。为了防止电网断电,切尔诺贝利的每台反应堆都配备了四台柴油发电机,一旦电网停电,柴油发电机就会启动,为水泵供电。
但是,柴油发电机启动和暖机需要一分钟,在这夺命的一分钟之内,堆芯就有可能会熔毁。这个问题如何解决呢?
切尔诺贝利的工程师们提出了一种设想:即使电网停电,反应堆也停止工作,但是从反应堆里出来的蒸汽还可以推动涡轮机,涡轮机由于惯性还会继续转动一会儿。如果用还在转动的涡轮机带动发电机发电,再用这个电来供给水泵,是不是就可以弥补这一分钟的空窗期了呢?
为了检验这个设想,切尔诺贝利核电站一共进行了四次测试。前三次分别在1982年、1984年、1985年,均以失败告终。于是,他们经过调整,又在1986年的4月,进行了第四次测试。当时的切尔诺贝利的工作反应堆有4个,还有两个反应堆在建设中,这次的实验选择了4号反应堆。
测试定在了1986年4月25日白天,计划首先把反应堆的功率降到700MW,然后断开水泵电网,随后再利用涡轮机惯性发电并启动柴油发电机。
可是,在25日白天,基辅有一个小型电站突发故障,使得整个城市用电紧张。为了防止出现更大的电力缺口,切尔诺贝利的实验测试被推迟到了25日晚上。
25日23点04分,基辅电网同意测试开始。此时富有经验的白班工程师已经下班,晚班工程师也到了下班的时间,刚上班的夜班工程师原本并没有安排此次任务。在这样一种人员准备并不充分的情况下,实验匆匆开始了。
26日0时05分,工程师们开始降低反应堆功率。这时,另一个意外出现了:反应堆发生了毒化。所谓反应堆毒化,是指在核反应过程中,会产生氙135,氙135会和中子反应,生成氙136。
这个过程会让中子数减少,而过少的中子数会进一步减弱链式反应,直至裂变完全停止。
在核反应堆正常工作时,中子数远大于氙135的个数,这样在喂饱氙135之后,中子还有很多剩余,并不会对反应产生影响。但是,由于工程师们降低了反应功率,中子产生速度已经低于氙135产生速度,氙135则会持续地吃掉中子,直至核反应完全停止。
在犹豫的一段时间内,4号反应堆的功率已经下降到了30MW,如此低的功率无法进行测试。此时,工程师们面临两种选择:要么直接停机,承认第四次实验又失败了;要么想办法把功率加上去,去除反应堆毒化。
当时在控制室里面的主要人员有代理总工程师佳特洛夫、值班主任阿基莫夫以及年轻的操作员托普图诺夫。
剧中阿基莫夫(左)佳特洛夫(中)托普图诺夫(右)
反应堆毒化发生后,阿基莫夫主张停机,但是佳特洛夫担心测试失败会影响后续工作,以开除两人相威胁,执意继续实验。
在加特罗夫的要求下,控制人员关闭了一系列安全保障系统,并且拔出了211根控制棒中的205根。根据安全条例,核反应堆中最少要保留28根控制棒,然而现在只余下6根。尽管如此,由于前期积累的氙135毒化了反应堆,反应堆功率一直在160MW到200MW之间,与设计的700MW还有很大差距。值班人员又关闭了两台循环水泵,降低了水流。一系列不合规的操作让控制室里的警报此起彼伏,但是工作人员一概置之不理。此时的四号反应对已经风雨飘摇,危如累卵,只需一点风吹草动,反应堆就会土崩瓦解。
26日01点23分04秒,断电测试正式开始。水泵与电网断开,由涡轮机惯性发电带动,同时柴油发电机开始暖机。由于涡轮机转速越来越慢,循环水流速下降,温度升高,在燃料棒的附近产生许多气泡。
气泡对于中子的吸收能力远远没有水强,大量中子涌入了燃料棒,燃料棒又发生剧烈的核反应,温度进一步升高,气泡进一步增多,形成了正反馈。这使得反应堆功率在很短的时间内突然增大,达到了30000MW,超过了原来设计功率的30倍。反应堆随时有熔毁爆炸的风险。自动控制系统本来可以修正这一问题,但是由于操作员断开了许多保护措施,最后的希望也破灭了。
26日01点23分40秒,工作人员发现反应堆功率超过可控范围,按下紧急停机AZ-5按钮,开始释放控制棒。然而,控制棒的速度约为0.4米每秒,可是却需要走过7米的距离才能完全插入反应堆,整个过程大约需要20秒的时间。
插入控制棒
切尔诺贝利的控制棒设计也很奇葩,在吸收中子的控制棒下端居然安装有一块石墨,石墨会对中子的减速作用会促进核反应。而且,由于反应堆温度过高,一部分燃料棒熔化变形,堵住了控制棒的通道,控制棒大约下降了1/3,就被卡住了。
此时,谁也救不了切尔诺贝利了。
26日01点23分47秒,距离测试正式开始四十多秒之后,4号反应堆发生了第一次爆炸,压力巨大的蒸汽将2000吨的反应堆上盖炸飞。紧接着,又发生了第二次爆炸,反应堆在第二次爆炸中炸毁,链式反应停止。
散落的高温石墨遇到氧气后,马上引发了熊熊的大火。消防员第一时间赶到了现场,却没有被告知发生了核反应堆爆炸,这使得许多消防员由于受到过量的辐射而牺牲。
剧中的消防员

放射性物质喷洒到了空气当中,射线与空气相互作用, 产生了美丽的极光效果。一些附近的居民争相走到屋外观看这美妙的景象,却浑然不知自己已经受到了辐射。据估计,这次灾难所释放出的辐射线剂量是二战时期爆炸于广岛的原子弹的400倍以上,辐射尘飘过俄罗斯、乌克兰,也飘到了北欧的瑞典、挪威。
4事故影响
事故发生后,苏联第一时间组织了委员会进行调查,但是委员会却迟迟给不出一个明确的报告。36个小时后,苏联才开始疏散周边的民众。一周以后,北欧的国家瑞典发现自己的空气中辐射物含量超标,一番调查后发现源头在苏联。
在事故的后续处理中,涌现出许多可歌可泣的英雄故事,例如三名切尔诺贝利核电站工作人员阿纳年科、别兹帕洛夫、巴拉诺夫志愿承担了被认为必死的任务:潜水进入4号反应堆被淹没的地下室,打开排水闸门,以防止产生更大的爆炸。
巴拉诺夫和阿纳年科事故前合影

1986年12月,苏联政府在4号反应堆上建成了“石棺”,封住了4号反应堆。先后有60万苏联军民参与了事故处理,获得了切尔诺贝利抢险勋章。
切尔诺贝利抢险奖章和勋章

尽管经历了这么大的灾难,但是切尔诺贝利提供了整个乌克兰10%的电力供应,由于能源短缺,4号反应堆爆炸后,1、2、3号反应堆还一直在工作。
1997年,切尔诺贝利基金会成立,国际社会联合起来处理切尔诺贝利事故的后续问题。2000年12月,在国际社会的干预和巨额补偿下,乌克兰总统库奇马正式关闭了整个切尔诺贝利核电站。由于旧石棺的设计寿命只有30年,而且极容易受到地震等自然灾害的影响,2012年,切尔诺贝利新石棺开始动工,工程耗资9.35亿欧元来自于各国的捐款。新石棺最终于2016年11月建设完成。
切尔诺贝利新石棺
切尔诺贝利核事故,是历史上最严重的核电事故,也是首例被国际核事件分级表评为第七级事件的特大事故(第二例是2011年3月11日发生在日本福岛县的福岛第一核电站事故)。现在的的切尔诺贝利,静谧如鬼城。科学家们估计,切尔诺贝利的生态完全恢复可能需要上万年的时间。
鬼城切尔诺贝利
5核电真的这么可怕吗

切尔诺贝利事故之后,许多人谈核色变,可是,核电真的如此可怕?
核电站和原子弹,有着云壤之别。原子弹装载高浓缩铀,铀浓度达到90%以上。反应堆装载低浓缩铀,铀浓度只有3%~5%。原子弹好比“白酒”,一点就着了。反应堆好比“啤酒”,是烧不着的。原子弹是发散、不可控的,会瞬间释能核能,而核电厂是稳定、可控制的,会持续释核能。世界上最大的两次核事故,切尔诺贝利核事故和福岛核事故,一个是蒸汽爆炸,一个是氢气爆炸,都不同于原子弹的核爆炸。
那么,核电站会有辐射吗?科学家们估计,每年接受辐射在250毫西弗以下,对身体并没有什么影响,来自土壤、岩石、水和宇宙的辐射称为本底辐射,全球平均每人每年的本底辐射是2.4毫西弗,而核电站会给周围的居民带来多少辐射呢?大约每年0.01毫西弗。
而且,核能对环境的保护作用是非常明显的。1kg铀235全部裂变所产生的能量,相当于2700吨标准煤。 中国核电累计发电量相当于减排二氧化硫2153万吨,减排二氧化碳7.15亿吨,减排氮氧化物1076万吨,造林约196万公顷。如果没有核电,环境污染会比现在严重的多。
核电与火电和水电并称为世界电力供应三大支柱,它确实是我们的生活中必不可少的一种能源。
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LI YONG LE
北京大学物理与经济双学士
清华大学电子工程硕士
北京市中学物理教师/物理竞赛教练
从教十年,培养清华北大学生200余人,国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
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