心怀宇宙天地宽分享 http://blog.sciencenet.cn/u/陈学雷 国家天文台研究员,从事宇宙学研究

博文

切尔诺贝利的悲剧是如何发生的 精选

已有 10699 次阅读 2011-3-20 09:07 |个人分类:读史偶得|系统分类:人物纪事


在日本的核电站危机发生后,各国都在重新审视核电发展政策。我国也做出了严格审查在建核电站、暂停审批核电项目的决定。在能源需求日益增大的形势下,发展核电也许是不得不为。但是,不能不看到,核能发展存在的巨大风险。无论核电的安全性如何改进,一旦出事其危害的巨大是令人恐惧的。前苏联的切尔诺贝利核电站事故造成的巨大生命和财产损失是应该永远铭记的教训。回顾一下切尔诺贝利的事故经过,有助于我们了解核能潜在的危险性:事故可能在完全意想不到的地方发生!

说来也许令人难以置信,切尔诺贝利事故之所以发生,竟然正是因为该核电站的工作人员想要改善核电站的安全性!核反应堆与一般的炉子不同之处之一是,如果我们把一般的炉子里的火熄灭,也许它会过一段时间才冷下来,但它不会再产生新的热量,而反应堆不同,即使链式反应被中止了,反应堆内还有很多在此前的核反应中产生的不稳定同位素,它们会持续衰变一段时间,不断产生热量,需要持续的泵水冷却才行。这次日本福岛核电站的问题,正是由于外界电源和发电厂自备的电源在地震和海啸中遭到破坏,导致反应堆无法冷却而持续升温。

当年切尔诺贝利电厂的人担心的问题也是,如果反应堆突然关闭,同时外界断电,这种情况下该怎么泵水冷却。当然,最简单的答案是配几台柴油发电机,在应急情况下靠它们发电泵水。(福岛发电站有柴油发电机,在地震后正确的启动了,但在随后的海啸中它们又被破坏了。)但是,当年切尔诺贝利配的柴油发电机有个问题:它们从启动到最后达到所要求的转速需要一分钟多的时间,这个时间太长了,存在反应堆过热的风险。所以还需要想个办法在这一分钟多的时间内驱动水泵,这样才能改进反应堆的安全性。

苏联人想到的办法是,反应堆虽然紧急关闭了,但是所驱动的发电涡轮机还有惯性,还可以转动一会儿,如果能让它发电驱动水泵,就可以填补这个安全漏洞。理论计算表明涡轮的能量足够支持45秒的,因此这应该可以减少没有冷却的时间,改善安全性,于是苏联人就设计了电路,在切尔诺贝利进行实验。这种实验表面上看很简单也很安全:核电站机组每过一段时间会定期维修关机,这时外面的电网是正常供电的。实验人员这时就利用即将停转的涡轮驱动水泵,看能否支持到柴油发电机启动。如果没支持到也不要紧,反正这时有外界电网供电。这个实验并未涉及反应堆内部,也不影响平时的运行,只是搭一下反应堆正常关机的顺风车。因此,实验人员没有去找反应堆的设计者咨询,也没有要求管理当局批准,而只是由电厂领导批准就进行了。不过,为了进行这个实验,一些监控反应堆、出现不安全情况时自动关闭反应堆的系统,比如应急堆芯冷却系统被阻断了,改为手动控制,这已经给后来的事故留下了隐患。

1982年,1984年和1985年,切尔诺贝利进行了这种实验,但都没有取得成功:涡轮未能驱动冷却泵足够长的时间。设计人员根据实验的情况对电路设计做了一些修改,准备在1986年4月25日4号机组再次关机时实验。按照计划,实验应该这样进行:首先反应堆的输出功率由平常的3200MW降到关机前的700-800MW, 然后把蒸汽涡轮加速到全速转动,然后关闭反应堆,看涡轮发电能支持水泵多长时间。说实话,看到这一节我自己是不太理解。反应堆应急停堆的时候哪还顾得上先把它调到某个特定的输出功率?如果必须按这个方式停机,这种供电能算可靠吗?不过当然,这也许只是初步的实验,还不是最终的。

4月25日凌晨1点钟,4号机组开始从满负载运行下调功率。到日班(上午)的时候已经逐步下调到了半负载运行。但是,这时电网中另一个电厂出现了故障,因此电网调度要求切尔诺贝利先不要关机,因此4号机半负载运行了很长一段时间(这期间系统的应急堆芯冷却系统都被阻断了,这其实也是违反安全规程的)。直到半夜11点多的时候,电网才允许4号反应堆关机。这时为实验做过充分准备的日班人员已经下班了,换上了毫无准备的夜班人员——按照原计划,他们来上班的时候实验应该已结束,反应堆已停机,他们只需负责冷却泵运行。带班的是Alexander Akimov, 操作员是 Leonid Toptunov, 后者才上岗3个月,经验不足。

按照计划,4号机组开始继续下调功率。但是,当功率下降到700MW时,反应堆并未能按照原订计划稳定下来,而是继续降低功率,最后功率降到了只有30MW. 这是因为,长时间的半负载运行使反应堆内积聚了许多氙-135, 这种同位素可以吸收许多中子,导致反应堆“中毒”,这是一种常见的现象,费米在第一台核反应堆中就曾观察到这一现象。至于为何反应堆一下子功率降了这么多,在国际原子能机构主要根据前苏联提供的资料写成的第一次调查报告中,认为是由于Toptunov操作失误。不过,后来的第2次调查报告中,推翻了许多第一次报告的说法。第一次报告把许多责任归咎于已经在事故后死去的Akimov和Toptunov,此二人显然无法替自己辩护,第二次报告把主要责任放在反应堆的设计缺陷上,同时承认第一次报告中许多对Akimov和Tiptunov 的指责缺乏证据,比如在这次操作Toptunov是否有操作失误就没有充足证据,第二次报告则倾向于他并没有操作失误,而是反应堆本身有一些问题。

无论如何,鉴于反应堆这时已近乎关机了,因此Akimov和Toptunov建议干脆关机放弃实验。然而在现场负责这一实验的电厂副总工程师Dyatlov不同意。这也不难理解:他们花了一年时间准备,现在如放弃前面岂不白忙活了,又得等很长时间,他们自然不愿意。Dyatlov甚至威胁要撤换Akimov和Toptunov. 最后,Akimov只好同意重新提高反应堆功率。 T4号机组就此走上了鬼门关。

尽管这时控制人员想要增加反应堆的功率,但反应堆的功率并未很快上升。反应堆内,是一根根核燃料棒,这些棒内的铀会衰变产生中子,中子在堆内到处飞行,当速度慢下来后会被某个刚好碰上的燃料棒中的铀原子截获,这时就会导致这个铀原子衰变,放出更多的中子,这就是链式反应。反应堆内还有一些控制棒,这些控制棒中的物质可以吸收中子,因此控制棒插入越多越深,就能吸收越多中子,降低反应速率,也就降低反应堆的运行功率,反之则增加反应速率。为了提高功率, Tiptunov 从堆内抽出了许多控制棒,但也许由于氙积聚的太多,反应堆功率迟迟没有上升,在这期间,反应堆的状况是不稳定的,功率时高时低,温度、冷却水流也是时高时低,自动警报系统多次给出各种警报,但是控制人员自认为控制着局面,没有理睬这些警报。最后,反应堆功率也只上升到200MW就稳定下来, 远低于原计划的功率,但控制人员仍决定进行实验。第一次报告指责以低于700MW的功率运行反应堆是违反规定的,但第二次报告承认,其实并没有任何书面规定禁止在700MW以下运行反应堆

1:05分,为了进行实验,控制人员开启了更多的水泵,以防关机时涡轮惯性不足以驱动水泵时还有外界电源驱动的水泵。但是,这带来了更多的冷却水,这些水吸收中子,导致反应堆功率下降,为此 Tiptunov 抽出了更多控制棒,最后几乎所有控制棒都抽空了,这使反应堆进入了一个非常危险的状态:反应堆中现在气泡很少,一旦反应堆功率上升,释放的大量热量会使水沸腾,堆中就会出现许多气泡,由于气泡的密度远低于水,它们对中子的吸收作用会大大降低,反应堆功率就会增加,这是一种正反馈效应,它使反应堆不稳定,而控制棒被抽离后又没有其它东西能吸收中子了。

01:23:04,实验开始,涡轮蒸汽回路被关闭了,涡轮以惯性驱动冷却泵,同时柴油发电机也开始启动,到01:23:43,柴油发电机启动完成。但是,过渡期间,冷却泵流量下降,水温升高,出现气泡,反应堆功率迅速增加。不过,反应堆的自动控制系统到此为止还控制着局面,通过插入一些控制棒保持了系统的稳定。

01:23:40,根据计算机系统的记录,紧急停堆按钮被按下了。由于当事人已死,事后人们不完全清楚紧急停堆按钮为什么被按下:是由于控制员认为功率迅速上升决定紧急关堆呢?还是他们认为实验已经成功结束,决定用这种方式关闭反应堆呢?总之,按下紧急停堆键后,所有的控制棒都被放下,这看上去并没有什么不安全的。

然而控制员不知道的是,反应堆有一个重大的设计缺陷。这些控制棒要将近20秒才会全放到底,更重要的是,控制棒的中段才是吸收中子的材料,而底段不是,因此当控制棒从完全拔出状态开始插入时,一开始并不能吸收中子,反而会占据本来吸收中子的水的位置,导致中子流增强,从而进一步增加反应堆功率。

因此,几秒钟后,反应堆功率瞬间上升,堆芯温度迅速升高,产生了大量蒸汽,导致了第一次爆炸(蒸汽爆炸)。这一爆炸导致控制棒被卡住,还破坏了冷却回路,反应堆失控了。又过了几秒钟,反应堆又发生了第2次爆炸,这是一次核爆炸。

有一种常见的说法,说核反应堆不可能象核弹那样发生核爆炸。这种说法也对也不对。核反应堆确实并非核弹,由于所用的核燃料纯度较低,不可能发生那样大能量的核爆炸。但是,反应堆还是可以核爆炸的,据分析,切尔诺贝利4号堆发生了10吨TNT当量的核爆炸。由于纯度低,反应速度慢,反应堆内的核燃料还没有充分反应,就会被反应释放的能量炸散掉,这是它的爆炸能量无法达到核弹那样多的原因。

事故发生后,负责实验的Dyatlov和Akimov 认为是应急水箱中氢气爆炸,反应堆本身还是安全的。因此,他们还派人去手动释放剩余的控制棒、手动打开冷却水管道阀门。当一些被派去的人回来告诉他们反应堆已经炸毁,甚至他们本人也看到了一些散布的混凝土和铀,但他们仍然坚持反应堆没事——大概他们不愿意相信最坏的情形已经发生。因此,他们最初向上报告说反应堆没事。事故发生后赶来的总工程师也相信了他们的说法,因此在最初十多个小时里他们还是按照反应堆没有破坏的假定进行抢救,这在一定程度上也导致了前苏联最初对此事故反应迟缓。

切尔诺贝利的事故造成了巨大的生命和财产损失。这一教训应该永远被记取。



解析日本大地震
http://blog.sciencenet.cn/blog-3061-424362.html

上一篇:应该警惕日本核电站危机的发展
下一篇:寻找暗物质,锦屏来了

36 罗岚 张婷婷 陈绥阳 徐耀阳 梁建华 骆小红 张肖飞 水迎波 张亮生 李孔斋 刘健 鲍得海 王云才 朱志敏 王世磊 袁贤讯 季索清 梁进 武夷山 文绍 梁先庭 张宝林 马红孺 廖聪维 徐迎晓 孟津 李正杰 唐常杰 杨月琴 何士刚 叶剑 yinglu zhangcz07 XY hangzhou 好象

发表评论 评论 (19 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-11-15 16:04

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部