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核電站會不會像原子彈那樣爆炸?

2019年06月24日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 3 ℃ 次

【王某叉的回答(22票)】:

長期以來,有人用啤酒點不著而白酒點不著來形容核反應堆和核武器的區別,來試圖說明核電的安全性,這實際上並不是完全恰當的——核反應堆和核武器釋放能量方式的區別,並不完全決定於核燃料中鈾235、鈽239這樣的可裂變材料的富集度,要知道在不少反應堆中,比如在快堆和某些實驗堆中核燃料的富集度也比核電站高得多,達到20%甚至更高,而某些高通量或高功率密度要求的實驗堆、海軍核動力反應堆當中,使用鈾235富集度在90%以上的核燃料也並不罕見,當然這不利於防止核擴散,是目前國際原子能機構所極力希望替代的。

眾所周知,核反應堆和核武器都是通過鏈式反應來進行的。鏈式反應很好理解。被中子轟擊的重原子核分裂成兩個(在少數情況下,可分裂成3個或更多)質量相近的碎片的現象稱為原子核的裂變。對於易裂變的原子核(鈾235、鈾233、鈽239)每次裂變可以平均釋放出大約200MeV左右的能量和2.5~3個中子。如果新產生的中子又將引起其他的易裂變核發生裂變,從而形成了一個自動持續的反應鏈,這就是鏈式反應。

但是鏈式反應實際上包含三個充分必要條件:易裂變核、放出中子、新產生的中子能夠引起其他的核再發生裂變。缺一不可,鈾238也能裂變並且也能放出中子,但是它裂變有中子能量的限制,放出的中子不會引發其他鈾238核的裂變。所以鈾238做不了核武器裝藥,好在鈾238吸收中子之後可以經過一段時間,兩次衰變成易裂變的鈽239,作為一種轉換材料存在,從而在反應堆中利用。

中子在一個核反應體系當中有可能洩漏出去,也有可能被其他物質原子核吸收,也有可能被易裂變原子核的(n,γ)吸收而不裂變,也有可能被吸收後引發易裂變原子核的裂變。前三者情況下會減少中子數量,後一種情況下會引起中子的增加,增加1.5~2個,這個增加的過程扣掉前面被減少的中子,就得到每次裂變反應產生的次級中子數量,通常用k表示,實際上就是相鄰兩代中子增殖的倍數。這個數值實際上分成了三種情況:

1.如果每次裂變反應產生的次級中子平均有一個能引起下一級的核裂變反應,則鏈式反應就可以自行維持下去,這種情況稱自持鏈式裂變反應,與此對應的裂變系統的狀態就稱為臨界狀態,臨界狀態是核反應堆的正常工作狀態。

2.如果每次裂變反應產生的次級中子平均有一個以上能引起下一級的核裂變反應,則裂變反應的規模將越來越大,這就叫發散型鏈式裂變反應,與其對應的裂變系統的狀態稱為超臨界狀態,超臨界狀態是裂變武器核爆炸時所處的狀態。

3.如果每次裂變反應產生的次級中子平均不到一個能引起下一級的裂變反應,則裂變反應的規模就將越來越小,直到反應終止,這樣的鏈式裂變反應稱為收斂型鏈式裂變反應,與其對應的裂變系統的狀態稱為次臨界狀態。

但是臨界狀態是如何維持的呢,要知道絕大部分的裂變反應釋放出來的中子是非常迅速的,10^-4~10^3秒內釋放出來的,即使K值僅僅超過1一點點,哪怕0.001,在很短時間內指數級增長下功率也會增加很多倍。所幸的是還有比例約0.65%的中子是緩發中子,是在原子核分裂後延時數秒至數十秒才由碎片原子核釋放出來的。正是這0.65%的中子使得我們可以踩在這個k=1的鋼絲上面。如果沒有緩發中子,那麼反應堆中的下一代中子全部為瞬發中子,那麼引入極小的擾動,也會使得反應堆功率很短的時間內暴增或者熄火。這個可以通過簡單的微分方程就可以計算出來其巨大的差異,如果不存在瞬發中子,0.001的擾動就足以使得反應堆在一秒內暴增數萬倍功率,而緩發中子的作用使其實際只變化1%,在這種變化率下我們可以有效地進行控制。

利用緩發中子維持臨界水平,是核反應堆區別與核武器的最本質區別,這更類似與在灶台上點燃天然氣和天然氣洩漏後爆炸的區別。那麼當一座核反應堆進入到僅靠瞬發中子就足以維持臨界的情況下,功率毫無疑問將會暴增,那麼能否引起一次核爆炸呢。要知道,切爾諾貝利核電站4號反應堆就是由於反應堆設計缺陷和運行試驗人員的違規操作進入了這種危險的狀態而造成失控,並引發了蒸汽爆炸和化學爆炸,釋放了大量放射性物質進入環境,造成了巨大的財產和生命損失、引發了長期的環境與公共健康問題。

這個時候,白酒和酒精的比喻可以派上用場了。對於任何反應堆,為了導出核反應堆釋放的巨大能量,都需要冷卻劑,並且需要結構材料保持堆芯內結構來有效地冷卻燃料。而對於常規的商用壓水堆核電站,使用的核燃料富集度不高只有3.3~5%,對於重水堆和石墨水冷堆,甚至可以使用天然鈾作為核燃料。在大量可轉換材料、結構材料、冷卻劑的存在下,即使惡意地導入了很大的正反應性(在臨界狀態拔出了全部控制棒),反應堆當中還有相當的其他物質對中子產生影響,在通常情況下,出於安全的考慮,這種影響被嚴格設計,保證盡可能對反應堆的中子通量、功率、溫度形成負反饋。即使一定的正反應性被引入,也可以被負反饋控制在一定範圍內,保證反應堆結構和放射性物質邊界的安全性。事實上切爾諾貝利之所以發生事故,很大的原因在於反應堆低功率的時候,存在正的空泡反應係數,水沸騰形成的空泡對反應性形成了正反饋。這個時候這些冷卻水中的空泡起到的是火上澆油的效果,這正是核反應堆設計本應極力避免的。

不過即使切爾諾貝利這樣的超瞬發臨界事故中,反應堆內依然有大量不可裂變的物質,事實上決定了核反應堆的K值即使失控也不會達到核武器那樣大的功率,即使是快堆或者高燃料富集度的艦用堆,都有相當的結構材料、冷卻劑存在於堆芯之中。

那麼當一個使用比較高濃度的核燃料和快中子譜的核反應堆進入超瞬發臨界,並且我們切斷了冷卻劑的供應,使得反應堆中盡可能都是核燃料,它為什麼不能算一顆核彈呢,就好像《環太平洋》裡面核動力機器人自爆那樣?

我們來講一個不太相干的故事,這是用來描述指數增長的一個典型。水葫蘆覆蓋池塘的面積每天可增加原來的一倍,它會在第20天覆蓋滿整個池塘,而你最多只能在一天內清除1/2池塘的水葫蘆,那麼拯救池塘的最晚一天是那一天?答案是長滿池塘的前一天。

鏈式反應也類似:一顆原子彈的爆炸過程中,如果每次鏈式反應釋放出2.2個中子(相當於1.2倍的中子增殖代數),那麼從第一代中子開始,到裂變0.1kg核材料(2000噸當量)需要286代中子,時間大約2.86微秒,到釋放出20000噸當量,需要的中子代數是299代,時間2.99微秒.時間僅僅增加了0.13微秒,釋放的能量增加了9倍,也就是90%的能量是在這最後0.13毫秒釋放出來的。這些能量如此巨大和集中,以至於核武器和周圍的空氣等物質都被加熱成為溫度極高的等離子體,這種等離子體甚至影響了能量的輻射傳播,不得不引入了全新的輻射流體力學來描述核爆炸初期的能量傳播過程。

所以核武器設計,除了增加中子增殖的倍數之外(使用高純度容易裂變的核材料),就是要約束核武器中核材料的超臨界狀態更長,為此採用炸藥加速核材料高速撞擊或者炸藥爆炸的衝擊波來把核材料壓縮維持更長的超臨界時間,但是在普通的原子彈中,核材料的利用率依然是很低的:在廣島原子彈中使用90kg的鈾235,用100kg的TNT炸藥驅動加速撞擊,只有1kg發生了裂變,利用率只有1.1%;長崎原子彈採用效率更高的內爆壓縮方法,鈽的利用率也只有1/6,剩下的核材料則被巨大的能量炸飛了。

在曼哈頓工程的初期,美國科學家曾經設想使用較低富集度的鈾和氫化物慢化劑(比如氫化鋯)來製造核武器,但是他們很快就發現的這個問題,首先K值不夠大,其次這樣的一個失控反應堆式的東西太大,很難用強制約束的方法維持超臨界狀態,很快就會解體掉,如果是較小的純核材料物質,就可以用炸藥來加速或者壓縮。於是工作的中心迅速的轉移到鈾235的進一步濃縮、鈽239的生產和使用這些高富集材料的核武器結構設計上去了。

那麼在一個採用高燃料富集度並且使用快中子的反應堆當中發生失控的最嚴重後果是什麼呢?實際上當一個功率比較大的快中子反應堆失控後,也會釋放出很大的能量的,但是由於遠沒有類似核武器引爆過程中炸藥爆轟波那樣的約束力,很快會由於反應堆的解體而中止能量的釋放,這個爆炸當量是有限的。在法國設計「超鳳凰快堆」曾經計算了反應堆完全失控的後果,超鳳凰快堆使用30%~40%鈽濃度的高富集燃料,熱功率約2760MW,當反應堆完全失控時,會釋放出相當於 130噸TNT爆炸的當量,為了對抗這種最不利的情況,設計了雙重安全殼,內層安全殼可以抵抗190噸炸藥的爆炸。而這種當量在核武器的設計中則完全是失敗的,核武器設計者稱之為「撲哧」,但是他們依然認為即使這樣只能「撲哧」的炸彈(這是恐怖份子和小國所能造出來的最接近核武器的東西),依然會造成嚴重的污染,又被稱之為「髒彈」。

雖然反應堆失控不會像核武器那樣帶來毀滅性的後果,但是如果反應堆內部的大量放射性物質被釋放到環境中,仍然會產生極為嚴重的後果。而且核反應堆的乏燃料中含有的放射性物質量比大多數核爆炸之後的殘留總量要高得多,其造成的環境危害可能更加持久和巨大。

【MuJiong的回答(1票)】:

原子彈中的鈾235濃度遠遠高於核電站燃料棒, 最關鍵的就是沒有強約束. 其實核材料超過臨界尺寸的事故很多, (Criticality Accidents), 但由於沒有強約束, 突發的鏈式反應產生大量的熱, 造成核材料體積膨脹, 從而導致鏈式反應中斷. 所以網絡上有很多關於手工原子彈文章, 但即使給你濃縮鈾或者濃縮鈽, 你做出來的只不過是當量和常規炸彈差不多 "髒彈". 就像朝鮮, 試驗了幾次核武器但沒人承認它是有核國家, 因為它的核彈當量不過幾百噸TNT而已.

【我是我的回答(0票)】:

會不會像原子彈沒有關係,因為它總會爆炸。反對在現有體制下建設核電站。強烈反對。

【MarcoChao的回答(2票)】:

提到核電站,有人擔心它是否會像原子彈那樣發生核爆炸,其實,這完全是個誤會。這是因為,雖然原子彈中的核裝料和核電站中的核燃料都含有鈾-235(或鈽-239),但它們的含量卻相差很大,前者高達90%以上,後者僅為3%左右。這就好比是高純度白酒和低度啤酒一樣,白酒因酒精含量高而可以被點燃,而啤酒因酒精含量低而永遠不能被點燃。

【王王的回答(0票)】:

像原子彈一樣炸很難,但像炮仗一樣炸了也夠受的

【Zoezhang的回答(1票)】:

詳情請見:

切爾諾貝利核電站

標籤:-核電站


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