切尔诺贝利事故后 世界如何发展更安全的核反应堆?

切尔诺贝利灾难是20世纪最严重的人类灾难 (Shutterstock)

4月26日是切尔诺贝利核反应堆爆炸36周年纪念日，这是一场人类经历的最大的全球灾难。它引起了全世界公民的恐惧，以至于人类思想将“核”的一切与人类灭绝联系起来。

自2000年以来一直处于闲置状态的旧反应堆随着俄罗斯对乌克兰战争的开始而成为热点，人们担心士兵会受到放射性危害，或反应堆的基础设施受到损坏，从而导致新的灾难。

切尔诺贝利：最古老的一代反应堆

切尔诺贝利核电站距离乌克兰首都基辅130公里，包括4座核反应堆，由苏联在1970年代和1980年代开发。

据Live Science网站报道，苏联人在这座核电站使用了RBMK 1000反应堆，它由3个主要部分组成：负责进行“连锁反应”的反应堆堆芯，负责控制化学反应的连续性的“石墨棒”，第三个也是最后一个部分是一个巨大的水箱，从普里皮亚季河汲取水，用于冷却反应堆。

根据Physics central网站的说法，该反应堆有一个严重的缺陷，名为“正的空隙系数”，这意味着由于沸腾增加或缺乏冷却，反应堆内的核裂变率增加。

核反应堆如何发电?

核电站的发电依赖于裂变链式反应，而链式反应是一系列连续的反应，其结果有助于在没有外部影响的情况下发生更多反应。在核电站中实现这种反应需要使用放射性材料，例如切尔诺贝利核电站中使用的铀235。

在裂变链式反应中，中子撞击放射性物质的原子，使其分裂成两部分(即发生核裂变)，产生更多的中子。额外的中子与放射性物质的更多原子发生碰撞，不断重复前面的过程，反应的持续时间取决于使用的放射性燃料的数量。

在RPMK 1000反应堆中，科学家们使用石墨棒作为吸收过度受激中子的材料，通过插入或移出石墨棒控制堆芯的链式反应。如果我们想保持反应的连续性，我们就移除石墨棒，如果我们想阻止它们，我们就把石墨棒插到整个堆芯中。因此，石墨棒可以控制反应并保持反应堆的稳定。

核反应堆的发电取决于链式反应释放的热量，这些热能加热水产生蒸汽，从而运行发电的涡轮机，有些人将核电站比作大型锅炉。

切尔诺贝利核电站的第四号反应堆因人为错误和多个工业缺陷而爆炸 (Shutterstock)

导致切尔诺贝利灾难的技术缺陷和人为错误

1986年4月26日凌晨，切尔诺贝利核电站第四号反应堆的操作人员想要在反应堆内部测试一些安全系统。根据“大英百科全书”网站的说法，在测试期间，技术人员关闭了反应堆的安全和自我调节系统，而这种行为违反了安全规则。技术人员从反应堆堆芯中抽出石墨棒，使其以大约7%的功率工作，并关闭了水冷系统。

那天晚上，反应堆发生了核爆炸。有人认为爆炸的原因是缺乏足够的水来冷却反应堆，蒸汽在冷却管道中积聚，而更多的蒸汽意味着核裂变率的增加，这导致反应堆堆芯处于高压和高温状态，然后发生爆炸。

一些研究人员提出的另一个原因是反应堆的功率降低，导致不稳定并发生爆炸。当RPMK 1000反应堆内部的温度升高时，铀吸收中子，使其活跃度降低，从而抑制了链式反应。反应堆在低功率下运行的情况恰恰相反，这时链式反应不再稳定。

爆炸导致第四反应堆完全毁坏，大火蔓延到附近的4座建筑物，天空中弥漫着有毒的云层，反应堆的放射性成分残骸如雨点般落下。消防员在几个小时内就将第一场大火扑灭了，但石墨柱引起的火灾却用了10多天才扑灭。

在现代核反应堆中，水用于冷却反应堆堆芯和控制核裂变 (Shutterstock)

纠正过去的错误

根据Live Science网站的一篇报道，较新的核电站用水作为“冷却剂”和“慢化剂”来避免以往核反应堆设计中的错误。科学家们称这些反应堆为“轻水反应堆”。

这种类型的反应堆包括一个装有反应堆堆芯的大型容器，周围环绕着流动的水来冷却它。与RPMK 1000反应堆的情况一样，链式反应产生的热量使水汽化，蒸汽为涡轮机提供动力并发电。

科学家们没有依靠石墨来调节连锁反应，而是用水来发挥这个作用。水减慢了核裂变产生的自由中子的速度，使反应稳定，当反应堆温度升高时，水的蒸发量增加，水量减少，不再起到调节中子速度的作用，因此链式反应减慢，反应器不会因热量增加而爆炸。这种类型的过程称为负反馈循环。

除了较新的反应堆外，一些核电站仍然依赖RPMK 1000反应堆。这些站在切尔诺贝利事故后进行了许多修改，其中最重要的是添加链式反应抑制剂，以保护反应堆在低功率运行时免受过热影响，以及增加控制反应的石墨棒的数量，这些石墨棒经过了现代化改造以避免加剧移动的影响，此外还增加了核燃料浓缩装置。

核电站帮助我们产生大量电力，但对它们潜在危险的恐惧、核燃料的稀缺性以及降低全球温度的愿望;促使各国开始生产来自太阳和风的清洁能源，这是未来完全放弃核电站的一步。