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反应堆会像原子弹那样爆炸吗? 精选

已有 13857 次阅读 2011-3-14 08:37 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦|关键词:原子弹,反应堆| 原子弹, 反应堆

 

如果链式反应失控,会发生什么事情?每个核反应堆难道不就是一颗随时可能爆炸的核弹吗?我们是不是靠反应堆操作者的警惕来避免那种爆炸呢?它是不是我们应该不惜一切代价来避免的极端危险的技术呢?

 

   【这个问题,是眼下很多人关心的。昨天我在街上就听人说,幸好不是反应堆爆炸,否则就有蘑菇云了。我不是核专家,也没看过更多的文献。加州大学教授Richard Muller的《未来总统的物理课》,有个单元讨论核武器和核能,其中一章比较详细地介绍了核电站和反应堆,下面是有关内容的节选。】

 

    核反应堆的物理与核弹的物理非常类似。两者都通过铀235和(或)钚239的链式反应释放能量。核弹通过中子的倍增使整个裂变在百万分之一秒内发生。反应堆则相反,它通过持续的链式反应,没有倍增过程。在反应堆中,裂变释放23个中子,但平均只有1个会打击另一个核,触发另一个裂变,所以反应不会加速能量以不变的速率释放出来,将水加热,产生蒸汽;蒸汽驱动涡轮,涡轮驱动发电机,生成电能。气煤发电厂也以同样方式运行,只不过它们是靠燃烧化石燃料而不是铀来生热。大型核电站与大型气煤电站的发电量一样,大约为10亿瓦特。因为普通人家的用电为1千瓦,一座这样的反应堆能为百万家庭供电。美国大约20%的电来自104座核电站。

 

    核电站的核能,只是用来为水加热而已,这确乎有点儿奇怪。也许有一天我们能直接用裂变来发电,但现在热水方法是最实用的。核潜艇也是如此。核潜艇竟然是靠蒸汽驱动的,想起来真是好笑,但确实是那样的。新式柴油机潜艇与老式核潜艇之间的根本区别在于其核燃料要高1百万倍(相同重量),而且核潜艇不需要氧气,所以能在深海停留很长时间。实际上,核反应堆的部分能量还用来从水中分离氧气,为船员提供人造空气。伴随氧气从水中分离出来的氢气通常会变成泡沫钻进大海,成为废物。如果不用同样过程释放的昂贵氧气,那些氢是不会燃烧的。

 

    核电站看起来很复杂。它唯一真正与核有关的部分是反应堆,装在厚厚的金属容器里,安置在钢筋混凝土的建筑物中。那些容器里的容器,是为了防止万一燃料或废料从反应堆的球芯泄漏出来,不致逃逸到环境中去。来自反应堆容器的水流到蒸汽机,在那儿沸腾。然后蒸汽流向涡轮,驱动发电机发电。

    尽管核弹和核反应堆都以铀为燃料,但纯度的要求迥然不同。天然铀是99.3%的铀2380.7%的铀235。核弹里进行的链式反应,必须除去杂质铀238,才不致吸收太多的中子。反应堆就不同了。费米(Enrico Fermi曼哈顿计划期间建造的第一个反应堆以天然的未分离铀为燃料,含99.3%的杂质。那怎么行呢?为什么他能在反应堆里用未分离的天然铀呢?

     答案在于铀238的一个特殊核物理特性:虽然它对裂变释放的快中子有很高的吸收率,对慢中子的吸收率却很低。如果在中子打击铀238之前减慢它的速度,那么多数中子都会反弹回来。为减慢中子,费米在反应堆中添加了一种他称之为缓和剂的材料。他的缓和剂是石墨,属于碳的一种形式。把铀放进小棒里,棒很小,能使多数快中子泄漏出去,钻进石墨。它们在石墨中被相对冷的碳原子反弹出来,每次反弹都丢失部分能量,最后(随机)落回铀芯。这时,它们已经慢下来,其中只有不到一半的被铀238吸收。反应堆的设计要满足平均每个反弹回来的中子能找到一个铀235原子核,触发一次新裂变。链式反应就这样稳定下来了。慢中子有时也叫热中子,因为经过几次反弹后,它们就只剩从反应堆的温度获得的能量。

    这些设计的每件事情都基于不同核的特殊性质。碳不吸收大多数快中子;铀238不吸收大多数慢中子。作为未来总统,你需要了解原子核的结构;你真正需要知道的是,把中子速度减慢,就不必分离铀了。而且,正如我们下一节要讲的,缓和中子对反应堆的安全也有重大意义。

 

    石墨也是切尔诺贝利反应堆用的缓和剂。加拿大用的缓和剂是重水——氧化氘D2O。在美国,我们用普通的水H2O。为了与重水区别,普通水有时也称轻水。只有在核工业中,普通水才有特殊的名称。

     普通水原来也不会吸收某些中子。中子容易附着在氢上,将氢变成氘。这意味着失去了大量中子,从而阻止了链式反应的进行。为避免这个问题,美国反应堆采用部分分离的铀,含3%的铀235,通常叫反应堆级铀。当然,完全的天然铀在碳和重水缓和的反应堆里也能正常运行。多数铀分离厂都生产反应堆级铀,而不是核弹级铀。要知道,反应堆级铀是不能用来造核武器的。

      如果链式反应失控,会发生什么事情每个核反应堆难道不就是一颗随时可能爆炸的核弹吗?我们是不是靠反应堆操作者的警惕来避免那种爆炸呢?它是不是我们应该不惜一切代价来避免的极端危险的技术呢?这些问题的答案在多数公众看来是显而易见的:是啊——不值得为核能去冒险。对核灾难的恐惧可能就是本章开头列举的那些名词联想引发的。这种恐惧又被某些虚构的描写放大了,例如1979年的电影《中国综合症》里的核能灾难;另外还有一个事实,最著名核反应堆安全检查员,是几百万观众在电视里看到的,叫Homer Simpson。【The Simpsons的主角,是春田核电站的安全检查员。】

   我们应该知道这样一个关键事实:核反应堆不可能像原子弹那样爆炸。公众的想象是不对的。我之所以能自信地下这个结论,与反应堆的控制无关,而是基于不容争议的物理。核反应堆有诸多其他危险,但绝不会像原子弹那样爆炸

 

   核反应堆安全的物理学理由是,反应堆中心存在大量铀238,这意味着如果不缓和中子,链式反应就会停下来。我重复一遍:除非中子慢下来,否则它们会被铀238吸收,从而阻断链式反应。

     中子缓和后,会发生链式反应失控的事件吗?是的;其实1986年的切尔诺贝利事件就是这样发生的。但是,在中子缓和的情况下,能量释放被严格限制了,因为爆炸会在大量能量释放之前破坏反应堆。总的说来,爆炸比中子跑得快。这种事情不会发生在核弹里,因为核弹用纯铀235,链式反应能用快中子来进行。

     我们还可以这样来思考:如果慢中子反应堆失控了,裂变能量会聚集,直到其密度足以解体反应堆,这通常发生在能量密度与TNT相当的时候。在切尔诺贝利,能量足以摧毁反应堆的建筑物,引起碳缓和剂燃烧。烟和热浪携带着大量放射性废料(核反应堆运行中产生的裂变碎片)进入大气,在整个区域扩散。

 

     核反应堆会爆炸——但只是像普通炸药,而不像原子弹这种爆炸比一般炸药的爆炸更可怕,是因为它释放的放射性废料,而不是因为爆炸本身。如果我们用核弹级铀或钚做反应堆的燃料,结果就大不相了,有可能发生原子弹那样的爆炸。

 

     分析家们想象了目前美国核反应堆设计可能发生的最恶劣事故,他们颇有想象力地称那为“中国综合症这种假想的灾难首先是核燃料的熔毁。我们知道,核反应堆的目的是生热来驱动涡轮发电。裂变生热,水将热带走。假定水因为某种原因(如管道泄露)流失了,那么接着会怎样呢?

     紧接着发生的事情会令大多数人惊奇:链式反应中断。那是因为冷却水也是一种缓和剂,它会减慢中子。如果水流失了,中子就不再减慢,会保持很快的速度(就像它们释放出来那样)。因为铀238的特殊性质,多数中子都会被吸附在铀核——那个铀核不能释放足够的维持链式反应中子。于是,链式反应中断了。很快就中断了。

 

     尽管链式反应停止了,裂变碎片的放射性还大量留在反应堆的炉芯——因为没有冷却水,这些放射性足以使炉芯越来越热。在一般的反应堆中,这时需要赶紧注入冷却水。所有美国反应堆都要求配置这种系统。

     切尔诺贝利核反应堆发生爆炸时,俄罗斯宣布链式反应停止了——那是因为堆芯被破坏了。美国参议院情报委员会主席发表电视讲话,指责那是“无耻的谎言”。我感到有点儿难为情。他混淆了链式反应与残余裂变碎片的衰变。他知道辐射并未停止,但他没意识到苏联人是一点儿没撒谎。链式反应中断了,这个事实很重要,它意味着发电的功率已经陡然下降

 

     如果急救的堆芯冷却系统失灵了呢?(记住我们是在考虑可能发生的最坏情形。)假如那样,燃料将继续被裂变碎片的残余辐射加热,直到最终熔化。这些热量也会熔化包含燃料的容器壁,炽热的液态燃料将滴落到钢容器的底部聚集。当衰变的核耗尽时,放射性将陡落下来。即使如此,计算表明液态燃料仍然会继续变热,甚至足以熔化反应堆的容器的特殊钢材。如果熔化干净了,放射性材料就开始破坏容器建筑的混凝土基底。虽然基底厚达几英尺,但谁敢说热燃料不会一直熔化到底呢?如果基底熔化了,放射性就会露在外面。接着,废料中的挥发气体就能钻进大气。而炽热的液态燃料还将向下熔化。如果液体仍然聚集,那么它会一路熔化到底——“直到中国”。

 

     不会的,它到不了中国。(而且,在地球上,中国并不在我们任何核反应堆的另一端。)燃料不大可能流得太远,因为它会扩散,从而会冷却下来。不过,那只是一点小小的安慰。容器已经打破,放射性气体和诸如碘之类的挥发元素才是最令人担心的。切尔诺贝利事件的多数癌症都是它们引起的。

     核电站的放射性很强,足以杀死5000万吸收它的人。即使少量放射性泄漏进入大气,也能造成巨大破坏。我们还记得,切尔诺贝利事件释放的放射性引发的癌变,最多估计能杀死4000人(根据线性假说)。美国也遭遇过核事故,发生在三哩岛……

 

 

 

 



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