歷史上的今天——你所不知道的切爾諾貝利|高能來襲
2020年04月26日15:02

  來源:中科院高能所

  1986年4月26日,歷史上的今天,世界上最嚴重的核事故在切爾諾貝利核電站發生。

  切爾諾貝利核電廠位於烏克蘭首府基輔市以北130km,距離普里皮亞季市3km,與切爾諾貝利相距18km。

▲ 事故前的普里皮亞季市
▲ 事故前的普里皮亞季市

  切爾諾貝利反應堆是以鈾-235為原料的RBMK類型反應堆,是普里皮亞季市主要的供電來源。核反應堆是一種能以可控方式產生自持鏈式裂變反應的裝置。鏈式核反應(nuclear chain reaction)就是由中子撞擊原子核引起原子核裂變,裂變的過程中釋放能量,同時又會產生新的中子,新產生的中子引起新的原子核裂變,裂變反應連續不斷地進行,同時不斷產生新能量的過程。

▲ 鈾-235的裂變
▲ 鈾-235的裂變

  在核裂變產物中,氙-135的熱中子吸收截面很大,擔當著重要的作用。鈾-235經過裂變可生成氙-135,其中氙-135吸收一個中子又會變成氙-136。

  當時切爾諾貝利共有4台1000兆瓦(MW)的RBMK反應堆在運行,在附近還有兩座反應堆正在建造。RBMK反應堆本質上是個大型熱水器。

▲ RBMK堆芯簡圖
▲ RBMK堆芯簡圖
▲ 這是控製棒結構,綠色部分為硼,對中子有強吸收作用,紫色部分為石墨,可以慢化中子,使中子更易被俘獲。
▲ 這是控製棒結構,綠色部分為硼,對中子有強吸收作用,紫色部分為石墨,可以慢化中子,使中子更易被俘獲。
▲地面上是反應堆的端蓋,端蓋上的柱體就是插入的控製棒
▲地面上是反應堆的端蓋,端蓋上的柱體就是插入的控製棒

  RBMK反應堆具有以下特點:

  ① RBMK反應堆具有正空泡係數。即冷卻水會被加熱變為水蒸氣,吸收中子能力減弱,核反應速率提升,溫度更高,產生更多水蒸氣。

  ② 反應堆具有負溫度係數,隨著溫度的不斷上升,反應的速率會有所降低。

  ③ 反應堆體積巨大,氙-135引起的不穩定因素使得該堆的控製變得很複雜;

  ④ 很低的控製棒插入速度(0.4m/s)使得緊急停堆系統難以跟蹤快速瞬變,為此,運行規則要求堆內始終有一定數量(30根)的控製棒插入到一定深度,堆內低於15根控製棒時應立刻停堆;

  ⑤ 該核電站沒有安全殼。

  與一般的熱水器不同的是,切爾諾貝利使用的是一種非常強大的能源-核能。在紀錄片《搶救切爾諾貝利》中,戈爾巴喬夫表示:“我們得到的訊息都說一切正常,包括反應爐也是。我詢問亞曆山卓夫院士,他告訴我反應爐絕對安全,甚至可以裝置在紅場。過程和煮茶沒兩樣,就像在紅場擺個茶壺一樣。”

▲ 圖為戈爾巴喬夫
▲ 圖為戈爾巴喬夫

  可一個安全的熱水器為何會爆炸呢?

  據資料顯示,爆炸前切爾諾貝利正在準備它的第四次惰性測試。惰性測試是為了檢測在斷電的情況下核電站能否依靠汽輪機自身的慣性來維持水泵的供水,直至備用發電機完全啟動。4月25日,切爾諾貝利反應堆反應功率從3200MW降至1600MW,在他們準備進一步降低至實驗所需的700MW時,基輔電網官員表示為了保證用電高峰的供電需求,核電站的輸出功率不能進一步降低了,測試被推遲了10個小時。

  RBMK反應堆製約關係

  在RBMK核反應堆中,存在一個相互製約的關係,核反應提升反應速率,控製棒和水抑製反應速率,水蒸氣增加反應速率,負溫度係數抑製反應速率,一種微妙的平衡。

  事故演變

  1、首先將反應堆功率從3200MW降低至1600MW,並準備繼續降低至測試要求的700MW。

  2、基輔電網官員告訴他們為滿足用電高峰需求,測試時間需推遲了10個小時。在這10個小時里反應堆以半功率1600MW運行。此時第一個反應平衡點被打破,半功率下反應堆無法產生足夠的中子來抵消氙-135的影響,氙-135與中子的平衡被打破,氙-135越積累越多,無法得到有效的中和,反應的天平開始向速率降低傾斜。

  3、開始測試,繼續降低反應功率,控製棒插入更深,氙-135越來越多,中子越來越少,最後反應速率降低陣營大獲全勝,反應速率驟降至500MW左右。

  4、操作人員為獲得更多控製權,關閉自動控製系統,控製棒不再自我調節,反應速率進一步降低,至30MW,此時反應堆已被氙-135毒化,正確操作應為停止測試,在24小時之內慢慢提高功率,但是操作人員仍堅持繼續測試。

  5、30MW情況下,氙-135依舊在產生,但是得不到中和,反應速率過慢以至於溫度太低,無法產生水蒸氣。此時反應功率增加方幾乎全軍覆沒。而反應功率降低方,控製棒深入,水無法變為水蒸氣,氙-135無法被中和,反應天平徹底垮塌。

  6、為了提高反應功率,操作員開始抽出控製棒,據資料顯示最終操作員抽出了幾乎所有的控製棒,僅留下6-8根在反應堆中,嚴重違反了RBMK反應堆運行要求,此時反應堆由於溫度太低,負溫度係數不起作用,反應速率降低陣營損失兩元大將,只有水和氙-135在繼續戰鬥。

  7、雖然控製棒被幾乎全部抽出,功率依舊只有200MW左右,操作人員決定開始測試,水泵停止輸水,此時反應功率增加方開始了絕地反擊。沒有了控製棒和冷卻水的兩大封印,反應堆核心火力全開,反應堆功率激增。

  8、反應功率激增導致溫度瞬間升高,殘餘的水開始變化為水蒸氣,水蒸氣重新加入了戰鬥,然而沒有新補充的水,此時反應速率降低陣營只有最有一名戰士,氙-135,氙-135被新產生的中子轉化為氙-136,現在輪到反應速率降低陣營全軍覆沒了。

  9、反應堆幾乎不再受任何束縛,展現了他真實的力量,輸出功率激增。

  10、操作員摁下AZ-5(緊急停止),控製棒全部插回,但是控製棒的尖端,是石墨,石墨並不能減低反應速率,而是增加。

  11。 反應速率由於石墨的加入而激增,賸餘水瞬間全部轉化為水蒸氣,蒸汽壓力突然增大使管道發生了形變,控製棒無法繼續插入,此時的控製棒不僅不能降低反應功率,反而使反應功率繼續增大,控製棒叛變了,此時一切已經不可阻止。

  12。 反應堆爆炸,最後讀數為33000MW,是額定功率的十倍還要多。

  13。 還沒有結束,反應堆蓋子被炸開,氧氣湧入,為這場悲劇畫上了最後的句號,氧氣與過熱的石墨結合,引發了第二次更為劇烈的爆炸。

▲ 這是歷史上第一張事故照片(圖片非常模糊是因為輻射破壞了相機的膠卷)
▲ 這是歷史上第一張事故照片(圖片非常模糊是因為輻射破壞了相機的膠卷)
▲ 消防員在撲滅三號機組周圍的火
▲ 消防員在撲滅三號機組周圍的火
▲ 飛行員在投放混有硼酸的沙子給反應堆滅火
▲ 飛行員在投放混有硼酸的沙子給反應堆滅火
▲ 在輻射極高地區嚐試使用機器人來進行清理,但是機器人的電路並不能承受如此高強度的輻射
▲ 在輻射極高地區嚐試使用機器人來進行清理,但是機器人的電路並不能承受如此高強度的輻射
▲ 清理反應堆屋頂的石墨,每人只能工作40-60秒
▲ 清理反應堆屋頂的石墨,每人只能工作40-60秒
▲ 意外發生後,馬上有203人立即被送往醫院治療,其中31人死亡,當中有28人死於過量的輻射。死亡的人大部分是消防隊員和救護員,2005年9月,聯合國、國際原子能機構、世界衛生組織、聯合國開發計劃署、烏克蘭和白俄羅斯政府以及切爾諾貝利論壇等其他聯合國團體,一起合作完成了一份關於核事故的總體報告。報告指出事件死亡人數可達4000人,包括了死於核輻射的47名救災人員,和九名死於甲狀腺癌症的兒童。
▲ 意外發生後,馬上有203人立即被送往醫院治療,其中31人死亡,當中有28人死於過量的輻射。死亡的人大部分是消防隊員和救護員,2005年9月,聯合國、國際原子能機構、世界衛生組織、聯合國開發計劃署、烏克蘭和白俄羅斯政府以及切爾諾貝利論壇等其他聯合國團體,一起合作完成了一份關於核事故的總體報告。報告指出事件死亡人數可達4000人,包括了死於核輻射的47名救災人員,和九名死於甲狀腺癌症的兒童。
▲ 受輻射汙染的汽車停放在了城市的邊緣
▲ 受輻射汙染的汽車停放在了城市的邊緣
▲ 事故發生後,135,000人撤離了家園,其中約有50,000人是居住在切爾諾貝利附近的普里皮亞季市居民。
▲ 事故發生後,135,000人撤離了家園,其中約有50,000人是居住在切爾諾貝利附近的普里皮亞季市居民。
▲ 切爾諾貝利地區進行了大規模的清理行動,涉及成千上萬的人。
▲ 切爾諾貝利地區進行了大規模的清理行動,涉及成千上萬的人。
▲ 清理受汙染的土壤
▲ 清理受汙染的土壤
▲ 游泳池依舊開放,為清理的工作人員緩解壓力
▲ 游泳池依舊開放,為清理的工作人員緩解壓力
▲ 雖然無法對事故與嚴格空氣爆裂的核爆炸進行比較,但人們仍估計,從切爾諾貝利釋放的放射性物質比廣島和長崎原子彈爆炸釋放的放射性物質多400倍。約10萬平方公里的土地受到沉降物的嚴重汙染,受災最嚴重的地區是白俄羅斯、烏克蘭和俄羅斯。除伊比利亞半島外,整個歐洲都檢測到過更輕微的汙染水平。
▲ 雖然無法對事故與嚴格空氣爆裂的核爆炸進行比較,但人們仍估計,從切爾諾貝利釋放的放射性物質比廣島和長崎原子彈爆炸釋放的放射性物質多400倍。約10萬平方公里的土地受到沉降物的嚴重汙染,受災最嚴重的地區是白俄羅斯、烏克蘭和俄羅斯。除伊比利亞半島外,整個歐洲都檢測到過更輕微的汙染水平。
▲ 使用了40多萬立方米的混凝土和7300噸鋼材,建造了一個巨型石棺,將4號機組從此封印了起來,1986年11月底完成
▲ 使用了40多萬立方米的混凝土和7300噸鋼材,建造了一個巨型石棺,將4號機組從此封印了起來,1986年11月底完成
▲ 1997年,一項由46個國家和組織資助的替代計劃---新安全禁閉(NSC)開始實施,耗資15億美元(約合110億人民幣),為切爾諾貝利4號機組建造新的石棺,2011年建成。
▲ 1997年,一項由46個國家和組織資助的替代計劃---新安全禁閉(NSC)開始實施,耗資15億美元(約合110億人民幣),為切爾諾貝利4號機組建造新的石棺,2011年建成。

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