切爾諾貝利核事故，隱藏在其中的科學知識

切爾諾貝利核事故中的科學知識，核電站與原子彈相關方面的一些工作原理。

切爾諾貝利核事故

切爾諾貝利事故中大型石墨沸水核反應堆RBMK-1000核電機，為發生事故的反應堆。

核電站與核裂變:

核能作為一種能源，其產生的原理為核裂變，通過核裂變我們得到所需要的能量進行發電。

什么是核鏈式反應:

• 眾所周知核裂變是一種鏈式反應，其較為普遍的一種反應物質為鈾235與中子反應（中子撞擊鈾235），生成物為鋇56－141、氪36－92與3個中子。（鈾235易裂變反應。）

鏈式反應過程圖示

• 由此，被一個中子撞擊過的鈾235會產生2－3個新的中子和大量的能量，而產生的三個中子會像之前反應的一樣，去撞擊另外的3個鈾235，這樣反復下去形成核鏈式反應，這種反應被廣泛用于核反應堆與核彈當中。（再補充一張表格）

慢中子和快中子對于不同核材料的中子裂變截面和裂變概率

熱量的產生:在此反應中生成物的質量小于反應物，物質的守恒定律所闡述了一個原理，即反應物經過反應過后不論生成物為何種物質，其反應前后的物質總質量應相等，這個反應當中有明顯的質量虧損出現，愛因斯坦的質能方程（E=mc*2）告訴我們消失的質量會轉化為能量，并且以熱能的形式傳播出去。

核裂變所釋放的熱能被一些介質吸收（冷卻劑水），水在吸收熱能之后蒸發成水蒸氣，這些水蒸氣經汽輪機從而實現核能發電，當然也可以理解為核電站是一個能量轉換所。（當時蘇聯切爾諾貝利采用的反應堆是石墨沸水堆，石墨作為中子慢化劑，加熱輕水作為蒸汽。）

RBMK-1000石墨沸水堆:

1. 圖示中barras de combustible條狀的反應物為燃料棒，里面裝有濃縮(20%左右，在rbmk－1000核反應堆當中鈾顆粒的濃度比20%要低的多)的鈾顆粒，燃料棒為鋯合金管其長度大約為3.6米，而鈾也就是用作反應的鈾235，經過與中子的反應，放出熱量。而在用于反應的燃料當中并不是所有鈾都可以進行反應，比如鈾元素的兩種同位素U235與U238，相較于U238同位素U235更適合鏈式反應。
2. 放出的熱量被水吸收，圖中橘黃色箭頭為steam，帶動汽輪發電機轉動以此發電，在此過程中冷卻水一直循環，以帶走熱量。
3. 在rbmk-1000石墨反應堆中，為了控制反應堆的反應速率，加入了graphite（圖示中的灰色區域）作為慢化劑，也就是中子減速劑(重水或者石墨）以此達到減速中子的效果，使核裂變得以進行，而在rbmk－1000核反應堆當中，減速劑為輕水，與重水相比較輕水使用廉價，但在安全性上沒有重水好。重水作為中子減速劑，它可以增加反應速率，而當核反應堆溫度過高時，這些重水中會形成氣泡，當重水減少時反應堆速率也會同步降低，這便是反應堆使用重水的好處。rbmk－1000核反應堆采用輕水，與重水不同它多了一項能力就是吸收中子，同樣條件之下，溫度過高輕水蒸發，致使輕水吸收中子的能力減弱，而這些未被吸收掉的中子有會增加反應堆反應速率，也就是正反饋導致失穩。
4. barras de control譯為控制棒（硼、鎘），控制棒的主要作用是在一定情況下可降低核反應性，制成它的材料會吸收中子但不會與中子發生反應，通過將控制棒插入反應堆或者取出反應堆來實現對核反應堆反應速率的控制，以此用來防止一些事故的發生，此反應堆控制棒主體采用硼，但尖端部分為石墨。（以上僅僅為rbmk－1000核反應堆的簡單介紹）

在核反應當中，鈾原子分裂時反應堆反應功率升高，而由硼制成的控制棒則可以使反應功率降低，與此同時冷卻劑水也能使反應堆功率降低（輕水可形成空泡）。

切爾諾貝利安全測試內容

切爾諾貝利核電站發生事故在一次斷電保護的測試當中，該實驗實際上是進行的一項安全測試測試。

下面簡單闡述測試過程:

1. 降低反應堆的反應效率，至一定功率。
2. 在斷電后，立即使柴油發電機開始工作，將鏈式反應后生成物的熱量，通過水帶走，以防止反應堆堆芯溫度過高而出現一些事故。
3. 在柴油發電機投入使用工作間隙，利用反應堆堆芯所產生的余熱帶動汽輪機工作些許時間，直到柴油發電機投入使用。（此期間記錄渦輪機的發電數據）

切爾諾貝利事故起源

切爾諾貝利核電站事故發生當天，工作人員開始將反應堆功率降低用來模擬斷電情況，而在此時核電站被告知需要推遲測試原因是城市白天需要大量供電，在此不得已恢復一定功率。

在此后再進行測試時，由于反應堆長時間低功率運行，已經有了毒化現象（出現了氙，氙在反應堆中可以降低反應堆功率，而它原本在正常情況下會被中子抵消），長時間的低功率運行使得氙越積越多，造成反應堆功率無法短時間內升高，溫度一度降低。

而不幸的是當時的操作人員希望馬上提高反應堆的功率，他們將控制棒全部被拔出致使反應堆堆芯冷卻，在一通亂搞之后他們勉強將反應堆功率提高了一點點，當時僅僅有200兆瓦，但這仍舊無濟于事。（這時因為反應堆功率過低，已經不適合測試）

核電站室內圖片

再次致命的操作源自于操作長選擇在此時繼續進行測試，開始進行斷電測試，水泵停轉、反應堆失去了冷卻劑，因為之前控制棒被拔出反應堆同樣也失去了可以限制其反應的關鍵性東西。

水中的空泡越來越多，由于正反應性空泡系數的存在，反應速率增加:此時的反應堆堆芯好比一匹脫韁的野馬沒有了約束，反應堆反應性大幅度增加，隨之而來的功率升高，溫度劇增使反應堆內殘留的水出現了汽泡（水作為中子吸收劑，但由于大量的水蒸發導致中子增多），汽泡的出現又使得反應堆反應性急劇增加，導致反應堆功率升高。（這一階段反應堆開始不受控制）

此時操作員決定使用反應堆的保險裝置，即緊急停堆按鈕，（在按下按鈕后，所有的控制棒會完全插入進反應堆，致使反應性下降并終止核反應，在RBMK-1000石墨沸水堆中這個可以使反應堆停止的按鈕叫做AZ－5，但由于控制棒在設計上的不完善，導致它在使用時存在很大的安全隱患。）

不幸的是:控制棒尖端部分是石墨，石墨可增加反應堆反應速率，在AZ－5按鈕被按動后，原先被拔出的控制棒理應全部被插回反應堆。而控制棒插入需要一定的時間，恰恰在這極短的時間里，控制棒尖端的石墨接觸到了堆芯，反應堆的反應性迅速增高，溫度巨增使得水瞬間蒸發，水蒸氣的大量出現讓管道出現受損，控制棒無法完全插入反應堆，阻止反應堆功率升高，隨后的時間里水蒸氣越積越多并引發了后來的第一次爆炸，第一次爆炸使反應堆內部暴露在了空氣當中，石墨與空氣中的氧氣接觸引發了第二次爆炸。

由于rbmk－1000核反應堆沒有安全的保護外殼，致使大量的放射性有害物質進入大氣、土壤，并在之后長達數十年的時間里影響著歐洲。

（爆炸使堆芯暴露，并引發了大火反應堆散發出大量高輻射物質至空氣當中，輻射覆蓋了大面積區域，事故核輻射大約使1650平方千米的土地受到了污染）

切爾諾貝利事故總括

RBMK-1000反應堆發生爆炸，其中一個原因是工作人員的操作不當，另一個原因為反應堆采用石墨為控制棒的尖端部分。

這次事故所釋放出的輻射線劑量大約是廣島原子彈的放出的400倍。事故發生時就奪去了56人的生命，在其周圍地區上萬人由于放射性物質的長期影響死亡或患上重病，到目前為止仍有被放射影響而導致畸形胎兒。

核能作為清潔能源，在不久的將來伴隨煤炭等部分不可再生能源的枯竭，核能越發凸顯其舉足輕重的地位，對于核能我們不必擔心，它不同于核彈不會爆炸，核電站對此有著許多安全措施，因此放心讓核能走進我們的生活。

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