HBO五集迷你剧《切尔诺贝利》,豆瓣评分高达9.6分,是根据前苏联切尔诺贝利核电站的事故改编的。该剧从播出到完结至今,引发了广泛关注与讨论。

本剧带领观众深入这个人类历史上最惨烈的核事故现场,通俗易懂地解释了复杂的核科学,但也把观众们吓得不轻。在日本福岛核事故的八年后,“核事故与核辐射”又一次成为热门话题。

核安全也是中国国家安全的重要组成部分,理应得到公众的关注。今天,让我们跟随中核集团中国核电工程有限公司核电安全研究中心工程师的视角,一起深入了解核科学:

作为一名长期奋战在一线的核电工程师,突然发现自己的专业知识成为大众关心的话题。在一集不落刷完剧后,今天想从一名核电从业者与核电安全研究者的角度和大家聊聊切尔诺贝利到底发生了什么,类似事故会不会在我国发生↓

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切尔诺贝利核事故为什么会发生?

具有讽刺意味的是,这起迄今为止世界上最严重的核事故起源于一次旨在提高安全性的试验。该试验意在检验失去厂外电源的情况下,汽轮机依靠惯性自转继续发电,在备用的应急柴油发电机投入前可以提供多久的电力。

试验计划在电厂25%功率下进行,但在由100%功率向25%功率降功率过程中,由于操作失误,导致功率掉到了1%,几乎停堆,这是事故的第一张多米诺骨牌。功率突然降低会导致阻碍核反应的物质浓度升高,正常情况下,只有待这些产物被消耗后才能正常提升功率。

但是,为了尽快提升功率以达到试验要求,操作员违反了操作规程,抽出了几乎所有可以控制核反应速度的控制棒,当控制棒插入,核反应速率就会降低,功率降低;反之,当控制棒抽出,核反应速率升高,功率提升。如果反应堆是车,控制棒就既是油门又是刹车。

当操纵员“踩满油门违规驾驶”时,功率一段时间后开始迅速提高,面对“超速时可能车毁人亡的风险”,操纵员又按下了紧急停堆的按钮,试图插入所有控制棒进行“刹车”。

不幸的是,切尔诺贝利所采用的RBMK式反应堆的控制棒设计有问题,在控制棒最初一段插入时仍会提升功率而不是降低,相当于刹车的第一脚仍是给油门,在反应堆已经“满油门”状态时,这一脚“油”的威力,不亚于速度与激情中的NO2喷射器,在4秒钟内,功率上升到满功率的100倍,直接“爆缸”。

燃烧的石墨块和燃料向上直喷,浓烟冲向 1000 米高空,火花溅落在反应堆厂房、汽轮机厂房等建筑物屋顶。同时由于油管损毁、电缆短路及强辐射,厂区内总共引发了几十处火灾。

但是,切尔诺贝利的爆炸仍非核爆炸。即核反应堆永远不可能发生核爆炸,这也是剧里的官员们一直不相信反应堆爆炸的原因。这是由于核电厂所有的核燃料是低浓缩铀,而原子弹需要的则是高浓缩铀,就像高度白酒可以燃烧,啤酒不会燃烧一样,低浓缩铀的核燃料从物理上就可以确认永远不会发生核爆炸。

那么,切尔诺贝利的爆炸到底是怎么发生的呢?

这是由于反应堆功率瞬间提升造成流过反应堆芯的水瞬间被加热汽化,蒸汽压力骤升超过管道可以承受的压力所造成的蒸汽爆炸。剧中的“切尔诺贝利三勇士”的行动就是为了排出地下室的水,防止高温的堆芯熔融物与地下水池接触发生蒸汽爆炸。(虽然目前科学界对苏联科学家计算的结果存在争议,但无论怎样都不可否认“三勇士”的牺牲自我、拯救他人的伟大精神!)

事故后经过多年的调查分析,估算爆炸当量约为100吨至300吨TNT,并不算很剧烈,远小于核武器万吨级的当量。但爆炸所产生的压力和能量足以推动混凝土顶盖、掀翻换料机、冲破反应堆厂房的屋顶,形成高压烟羽上升至高空。风将放射性产物吹到邻近国家,造成污染。

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类似事故会不会在我国发生?

答案是否定的。

我国的核电厂大都采用压水堆,而切尔诺贝利事故中的RBMK堆型是采用石墨作为慢化剂的压力管式沸水堆,两者在设计上存在巨大差异。这种差异简单来说,类似于独轮车和四驱越野车的区别。

压水堆的采用“负反馈”机制的设计,即在功率增长的情况下,随着反应堆温度的升高,会引入负的反应性,自发的降低反应速率,不会发生功率暴增的情况。压水堆像一辆自带稳定系统的汽车,在速度突然增加的情况下,刹车会自动被踩下。

而RBMK堆芯由于设计问题,存在“正反馈”。功率增加时会导致堆芯内水的汽化增多,水的减少会导致核反应增强,进一步提升功率。

因此,RBMK反应堆就像一辆会自动加速的汽车,在速度突然增加的情况下,油门反而会自动增大。因此RBMK堆芯的运行需要特别小心,一只脚要始终放在刹车上。可悲的是,切尔诺贝利事故中,所有“刹车”措施全部被取消了。可见,压水堆在设计上具有固有安全性。

故压水堆不会发生堆芯爆炸的事故,只可能发生因冷却不足而导致的堆芯熔化事故(如美国三里岛事故)。需要特别指出的是,三里岛事故导致的放射性泄漏远小于切尔诺贝利核事故,其中最关键的原因就是RBMK堆型没有完整的安全壳,而三里岛的压水堆有个巨大且结实的安全壳,将整个反应堆用钢筋混凝土结构的巨大“壳体”完全罩住,即使发生堆芯熔化,放射性物质也会包容在“壳体”内部,不会释放到环境中。

三里岛的核电厂属于二代压水堆,而我国已建的压水堆核电厂大都为二代+三代压水堆,相比第二代核电厂,安全性又得到了极大的提升,堆芯熔化事故发生的可能性已经大幅降低。除采用更为先进的双层安全壳外,通过一系列设计改进,如:非能动热量导出系统、主管道破前漏(LBB)技术、设备抗震能力提升、高可靠性的仪控系统、主泵轴封破口消除等措施,确保反应堆即使在发生全厂断电、地震等事故时,仍可安全停堆,基于可靠的科学分析,堆芯熔化的概率已经降至1×10-6/堆 · 年以下,即100万堆年都难以发生一次堆芯熔化的事故。

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关于“华龙一号”安全性的讨论

虽然堆芯熔化的事故已基本上不可能发生,但出于纵深防御的安全理念,在我国目前具有完全自主知识产权的“华龙一号”等三代核电厂设计中也考虑了针对堆芯熔化事故的缓解措施。这些措施大都为了保障安全壳的完好性和密封性,避免放射性物质进入环境,例如在“华龙一号”中就设置了如下措施:

压力容器内的熔融物滞留,通过向堆腔注水并冷却反应堆压力容器外壁面实现,能够避免熔融物进入安全壳,保证安全壳底板不会被熔穿;

设置氢气复合器,能够在不燃烧的情况下催化复合安全壳内的氢气与氧气,避免安全壳内的氢气爆炸;

设置非能动安全壳热量导出系统,能够在安全壳密封的情况下排出安全壳内的热量,维持安全壳内压力小于其承载能力;

双层安全壳,外层安全壳能够抵抗大飞机撞击,从而保证内层安全壳的完好、密封性;同时,两层安全壳之间的环形空间也能滞留从内层安全壳泄漏的放射性物质。

所有这些设计改进措施都是建立在充分的研发基础上的。为了更准确的理解事故现象和机理,同时也是为了充分验证各系统的性能,在三代堆的设计中进行了大量的理论和实验工作。

目前三代压水堆核电厂已经非常安全,但出于对核电厂绝对安全的追求,以及对公众健康的极度责任感,安全相关的研发工作一直在进行。

我国在核电厂事故及核安全方面的研究能力,已与世界一流水平接轨。在事故现象和机理的前沿研究领域,我国也开展了很多工作,已建设或即将建设多个先进实验装置(下图列出部分实验台架)。此外,在理论研究和仿真程序开发方面,国内也开展了大量的工作。

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几点结论

因为堆型设计存在很大区别,我国的核电厂不可能发生切尔诺贝利事故那样的爆炸。

三代核电厂不仅不会发生爆炸,而且通过多个设计改进,堆芯熔毁的概率已经大幅减小,一个机组运行一百万年,都不会发生一次。

以华龙一号核电厂为例,我国的核电厂在设计阶段就考虑了最恶劣和极端的事故工况,并设置了严重事故的预防与缓解措施,从事实上避免了放射性的大规模释放。

我国已经开展并还将开展大量核安全相关的科研工作,以保证核电厂和公众的绝对安全。

当前,核安全已被纳入到国家总体安全体系,上升为国家安全战略。核安全高于一切,将始终是核能发展的生命线。

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看完这篇文章依旧觉得空气中充满辐射,该如何?

读罢此文,不知道是否解决了大家的一些疑虑。如果还是觉得空气中充满了放射性,推荐打开下面这个网站——

data.rmtc.org.cn:8080/gis/PubIndex.html

目前我国已经建立遍布全国的辐射监测网络,可实时查询辐射监测数据,大家尽可放心。

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