科普 | 核反应的原理:切尔诺贝利为什么会爆炸?

原视频:https://www.youtube.com/watch?v=Cc-xlILOeEM

一.核电站的原理
1.核裂变:链式反应


链式反应公式

铀235 + 中子 →钡 + 氪 + 3个中子

产生的3个中子再去撞击其他的铀235便会产生9个中子,由此形成的雪崩效应称为链式反应。

在此过程中,反应物的质量比生成物的质量大,也就是出现了质量亏损。
由爱因斯坦质能方程可知,出现质量亏损就会放出能量。放出的能量以热能形式存在,以这些热能驱动蒸汽机,带动发电机,就把能量转化为了电能。

质量亏损 → 放能→ 电能

2.RBMK 石墨沸水堆

石墨沸水堆原理示意图

切尔诺贝利使用的是石墨沸水堆。

燃料棒是铀235,放在水管中。

水沿下方箭头流向燃料棒,在燃料棒处被加热后沿上放箭头流出水管变成蒸汽。
水的作用:冷却反应堆,同时带走用于发电的热量

白色方框代表石墨,石墨用于减速中子。燃料棒发出的中子速度极快,不容易被燃料棒其他部分捕获而产生链式反应,因此要让发出的中子撞上水管之间的石墨,经过减速后中子更容易被铀235捕获。

在石墨中插入可以吸收中子的控制棒,用来控制反应速率。减速时插入,加速时拔出。如果将控制棒全部插入,则可以使反应完全停止。

二.切尔诺贝利事故
1.测试:断电保护能力
即使完全停止中子活动,产生的钡和氪衰变也会继续放出余热,如果停止冷却,堆芯就会融毁。所以即使在外界断电的情况下,也需要保持水轮机持续运行带走热能。
因而,需要用柴油发电机来作为断电时的后备。
问题在于,柴油发电机启动时需要一分钟时间,在启动时间中,堆芯就有可能融毁。
所以提出了一个方案:是否可以用余热产生的蒸汽,利用惯性来继续带动涡轮机?

余热→柴油电机→惯性发电

实验共进行了4次,前三次分别于1982,1984和1985年进行,均以失败告终。

2.1986年4月末:准备进行第四次实验
(1)实验时间由白天推迟至夜晚
本次测试使用了四号机组。
原计划于25日白天进行,先降低反应堆速率,然后按照计划用惯性发电,再启动柴油电机。
然而,25日时发生了一件小事故。由于基辅的一个小电站坏了,用电紧张,便要求切尔诺贝利延后测试,以保证城市供电。
因此,测试就推迟到了夜里。
然而,有经验的工程师只有白天工作,夜班人员原计划无需进行任何操作,只需看守机器。
(2)26日凌晨:反应堆毒化
在26日0点5分,降低反应堆速率时出现了反应堆毒化。


反应堆毒化:在反应过程中会生成氙135,会与中子发生反应生成氙136。当反应速率高时,转化完全部氙135后中子还会有剩余。而当反应速率很低时,中子产生速度比氙135产生速率低,反应便会中断。


(3)错误决策:关闭自动控制,拔出过多控制棒
此时有两种方针:要么停机,承认实验失败。要么想办法提高反应速率。代理总工程师提出关闭自动控制,切换为手动,拔出控制棒。
设计要求至少有28根控制棒,而实际只留下了18根。此时反应速率已经上升到十分危险的水平,箭在弦上,一触即发。

3.爆炸
(1)1点23分04秒 开始进行断电测试
断电后水温上升,产生了许多气泡。气泡对于中子的吸收能力比水弱,造成大量中子涌入燃料棒,发生剧烈的核反应,水温进一步升高,以此循环,功率骤然升至设计的10倍
原本此时自动控制会立刻放下控制棒,但由于自动控制已被断开,所以仅仅是响起了警报。
(2)23分40秒 按下紧急停机按钮
控制棒需要20s才能降入反应槽中,并且控制棒的最下端有一段石墨,因而这段石墨插入期间反而更会加剧反应。
不仅如此,由于温度过高造成反应物形变,控制棒在插入三分之一时便卡住了。
(3)23分47秒 爆炸发生

相关阅读:《切尔诺贝利的祭祷》〔白俄罗斯〕S·A·阿列克谢耶维奇 中信出版社 2018

相关网站:切尔诺贝利&普里皮亚季两日游

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