科普 | 核反应的原理：切尔诺贝利为什么会爆炸？

原视频：https://www.youtube.com/watch?v=Cc-xlILOeEM

一.核电站的原理
1.核裂变：链式反应

链式反应公式

铀235 + 中子 →钡 + 氪 + 3个中子

产生的3个中子再去撞击其他的铀235便会产生9个中子，由此形成的雪崩效应称为链式反应。

在此过程中，反应物的质量比生成物的质量大，也就是出现了质量亏损。
由爱因斯坦质能方程可知，出现质量亏损就会放出能量。放出的能量以热能形式存在，以这些热能驱动蒸汽机，带动发电机，就把能量转化为了电能。

质量亏损 → 放能→ 电能

2.RBMK 石墨沸水堆

石墨沸水堆原理示意图

切尔诺贝利使用的是石墨沸水堆。

燃料棒是铀235，放在水管中。

水沿下方箭头流向燃料棒，在燃料棒处被加热后沿上放箭头流出水管变成蒸汽。
水的作用：冷却反应堆，同时带走用于发电的热量

白色方框代表石墨，石墨用于减速中子。燃料棒发出的中子速度极快，不容易被燃料棒其他部分捕获而产生链式反应，因此要让发出的中子撞上水管之间的石墨，经过减速后中子更容易被铀235捕获。

在石墨中插入可以吸收中子的控制棒，用来控制反应速率。减速时插入，加速时拔出。如果将控制棒全部插入，则可以使反应完全停止。

二.切尔诺贝利事故
1.测试：断电保护能力
即使完全停止中子活动，产生的钡和氪衰变也会继续放出余热，如果停止冷却，堆芯就会融毁。所以即使在外界断电的情况下，也需要保持水轮机持续运行带走热能。
因而，需要用柴油发电机来作为断电时的后备。
问题在于，柴油发电机启动时需要一分钟时间，在启动时间中，堆芯就有可能融毁。
所以提出了一个方案：是否可以用余热产生的蒸汽，利用惯性来继续带动涡轮机？

余热→柴油电机→惯性发电

实验共进行了4次，前三次分别于1982,1984和1985年进行，均以失败告终。

2.1986年4月末：准备进行第四次实验
（1）实验时间由白天推迟至夜晚
本次测试使用了四号机组。
原计划于25日白天进行，先降低反应堆速率，然后按照计划用惯性发电，再启动柴油电机。
然而，25日时发生了一件小事故。由于基辅的一个小电站坏了，用电紧张，便要求切尔诺贝利延后测试，以保证城市供电。
因此，测试就推迟到了夜里。
然而，有经验的工程师只有白天工作，夜班人员原计划无需进行任何操作，只需看守机器。
（2）26日凌晨：反应堆毒化
在26日0点5分，降低反应堆速率时出现了反应堆毒化。

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反应堆毒化：在反应过程中会生成氙135，会与中子发生反应生成氙136。当反应速率高时，转化完全部氙135后中子还会有剩余。而当反应速率很低时，中子产生速度比氙135产生速率低，反应便会中断。

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（3）错误决策：关闭自动控制，拔出过多控制棒
此时有两种方针：要么停机，承认实验失败。要么想办法提高反应速率。代理总工程师提出关闭自动控制，切换为手动，拔出控制棒。
设计要求至少有28根控制棒，而实际只留下了18根。此时反应速率已经上升到十分危险的水平，箭在弦上，一触即发。

3.爆炸
（1）1点23分04秒 开始进行断电测试
断电后水温上升，产生了许多气泡。气泡对于中子的吸收能力比水弱，造成大量中子涌入燃料棒，发生剧烈的核反应，水温进一步升高，以此循环，功率骤然升至设计的10倍
原本此时自动控制会立刻放下控制棒，但由于自动控制已被断开，所以仅仅是响起了警报。
（2）23分40秒 按下紧急停机按钮
控制棒需要20s才能降入反应槽中，并且控制棒的最下端有一段石墨，因而这段石墨插入期间反而更会加剧反应。
不仅如此，由于温度过高造成反应物形变，控制棒在插入三分之一时便卡住了。
（3）23分47秒 爆炸发生

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