切爾諾貝利災(zāi)難是20世紀(jì)最嚴(yán)重的人類(lèi)災(zāi)難 (Shutterstock)

4月26日是切爾諾貝利核反應(yīng)堆爆炸36周年紀(jì)念日，這是一場(chǎng)人類(lèi)經(jīng)歷的最大的全球?yàn)?zāi)難。它引起了全世界公民的恐懼，以至于人類(lèi)思想將“核”的一切與人類(lèi)滅絕聯(lián)系起來(lái)。

自2000年以來(lái)一直處于閑置狀態(tài)的舊反應(yīng)堆隨著俄羅斯對(duì)烏克蘭戰(zhàn)爭(zhēng)的開(kāi)始而成為熱點(diǎn)，人們擔(dān)心士兵會(huì)受到放射性危害，或反應(yīng)堆的基礎(chǔ)設(shè)施受到損壞，從而導(dǎo)致新的災(zāi)難。

切爾諾貝利：最古老的一代反應(yīng)堆

切爾諾貝利核電站距離烏克蘭首都基輔130公里，包括4座核反應(yīng)堆，由蘇聯(lián)在1970年代和1980年代開(kāi)發(fā)。

據(jù)Live Science網(wǎng)站報(bào)道，蘇聯(lián)人在這座核電站使用了RBMK 1000反應(yīng)堆，它由3個(gè)主要部分組成：負(fù)責(zé)進(jìn)行“連鎖反應(yīng)”的反應(yīng)堆堆芯，負(fù)責(zé)控制化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)性的“石墨棒”，第三個(gè)也是最后一個(gè)部分是一個(gè)巨大的水箱，從普里皮亞季河汲取水，用于冷卻反應(yīng)堆。

根據(jù)Physics central網(wǎng)站的說(shuō)法，該反應(yīng)堆有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，名為“正的空隙系數(shù)”，這意味著由于沸騰增加或缺乏冷卻，反應(yīng)堆內(nèi)的核裂變率增加。

核反應(yīng)堆如何發(fā)電?

核電站的發(fā)電依賴(lài)于裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是一系列連續(xù)的反應(yīng)，其結(jié)果有助于在沒(méi)有外部影響的情況下發(fā)生更多反應(yīng)。在核電站中實(shí)現(xiàn)這種反應(yīng)需要使用放射性材料，例如切爾諾貝利核電站中使用的鈾235。

在裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，中子撞擊放射性物質(zhì)的原子，使其分裂成兩部分(即發(fā)生核裂變)，產(chǎn)生更多的中子。額外的中子與放射性物質(zhì)的更多原子發(fā)生碰撞，不斷重復(fù)前面的過(guò)程，反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間取決于使用的放射性燃料的數(shù)量。

在RPMK 1000反應(yīng)堆中，科學(xué)家們使用石墨棒作為吸收過(guò)度受激中子的材料，通過(guò)插入或移出石墨棒控制堆芯的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。如果我們想保持反應(yīng)的連續(xù)性，我們就移除石墨棒，如果我們想阻止它們，我們就把石墨棒插到整個(gè)堆芯中。因此，石墨棒可以控制反應(yīng)并保持反應(yīng)堆的穩(wěn)定。

核反應(yīng)堆的發(fā)電取決于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放的熱量，這些熱能加熱水產(chǎn)生蒸汽，從而運(yùn)行發(fā)電的渦輪機(jī)，有些人將核電站比作大型鍋爐。

切爾諾貝利核電站的第四號(hào)反應(yīng)堆因人為錯(cuò)誤和多個(gè)工業(yè)缺陷而爆炸 (Shutterstock)

導(dǎo)致切爾諾貝利災(zāi)難的技術(shù)缺陷和人為錯(cuò)誤

1986年4月26日凌晨，切爾諾貝利核電站第四號(hào)反應(yīng)堆的操作人員想要在反應(yīng)堆內(nèi)部測(cè)試一些安全系統(tǒng)。根據(jù)“大英百科全書(shū)”網(wǎng)站的說(shuō)法，在測(cè)試期間，技術(shù)人員關(guān)閉了反應(yīng)堆的安全和自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而這種行為違反了安全規(guī)則。技術(shù)人員從反應(yīng)堆堆芯中抽出石墨棒，使其以大約7%的功率工作，并關(guān)閉了水冷系統(tǒng)。

那天晚上，反應(yīng)堆發(fā)生了核爆炸。有人認(rèn)為爆炸的原因是缺乏足夠的水來(lái)冷卻反應(yīng)堆，蒸汽在冷卻管道中積聚，而更多的蒸汽意味著核裂變率的增加，這導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯處于高壓和高溫狀態(tài)，然后發(fā)生爆炸。

一些研究人員提出的另一個(gè)原因是反應(yīng)堆的功率降低，導(dǎo)致不穩(wěn)定并發(fā)生爆炸。當(dāng)RPMK 1000反應(yīng)堆內(nèi)部的溫度升高時(shí)，鈾吸收中子，使其活躍度降低，從而抑制了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。反應(yīng)堆在低功率下運(yùn)行的情況恰恰相反，這時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不再穩(wěn)定。

爆炸導(dǎo)致第四反應(yīng)堆完全毀壞，大火蔓延到附近的4座建筑物，天空中彌漫著有毒的云層，反應(yīng)堆的放射性成分殘骸如雨點(diǎn)般落下。消防員在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就將第一場(chǎng)大火撲滅了，但石墨柱引起的火災(zāi)卻用了10多天才撲滅。

在現(xiàn)代核反應(yīng)堆中，水用于冷卻反應(yīng)堆堆芯和控制核裂變 (Shutterstock)

糾正過(guò)去的錯(cuò)誤

根據(jù)Live Science網(wǎng)站的一篇報(bào)道，較新的核電站用水作為“冷卻劑”和“慢化劑”來(lái)避免以往核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤?？茖W(xué)家們稱(chēng)這些反應(yīng)堆為“輕水反應(yīng)堆”。

這種類(lèi)型的反應(yīng)堆包括一個(gè)裝有反應(yīng)堆堆芯的大型容器，周?chē)h(huán)繞著流動(dòng)的水來(lái)冷卻它。與RPMK 1000反應(yīng)堆的情況一樣，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的熱量使水汽化，蒸汽為渦輪機(jī)提供動(dòng)力并發(fā)電。

科學(xué)家們沒(méi)有依靠石墨來(lái)調(diào)節(jié)連鎖反應(yīng)，而是用水來(lái)發(fā)揮這個(gè)作用。水減慢了核裂變產(chǎn)生的自由中子的速度，使反應(yīng)穩(wěn)定，當(dāng)反應(yīng)堆溫度升高時(shí)，水的蒸發(fā)量增加，水量減少，不再起到調(diào)節(jié)中子速度的作用，因此鏈?zhǔn)椒磻?yīng)減慢，反應(yīng)器不會(huì)因熱量增加而爆炸。這種類(lèi)型的過(guò)程稱(chēng)為負(fù)反饋循環(huán)。

除了較新的反應(yīng)堆外，一些核電站仍然依賴(lài)RPMK 1000反應(yīng)堆。這些站在切爾諾貝利事故后進(jìn)行了許多修改，其中最重要的是添加鏈?zhǔn)椒磻?yīng)抑制劑，以保護(hù)反應(yīng)堆在低功率運(yùn)行時(shí)免受過(guò)熱影響，以及增加控制反應(yīng)的石墨棒的數(shù)量，這些石墨棒經(jīng)過(guò)了現(xiàn)代化改造以避免加劇移動(dòng)的影響，此外還增加了核燃料濃縮裝置。

核電站幫助我們產(chǎn)生大量電力，但對(duì)它們潛在危險(xiǎn)的恐懼、核燃料的稀缺性以及降低全球溫度的愿望;促使各國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)來(lái)自太陽(yáng)和風(fēng)的清潔能源，這是未來(lái)完全放棄核電站的一步。