反应堆会像原子弹那样爆炸吗？ 精选

已有 3954 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

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2或3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238和0.7%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）在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……