李泳的博客之一——反應堆會像原子彈那樣爆炸嗎？

只看該作者 · 2011-3-16 22:03:30

如果鏈式反應失控，會發生什么事情？每個核反應堆難道不就是一顆隨時可能爆炸的核彈嗎？我們是不是靠反應堆操作者的警惕來避免那種爆炸呢？它是不是我們應該不惜一切代價來避免的極端危險的技術呢？

【這個問題，是眼下很多人關心的。昨天我在街上就聽人說，幸好不是反應堆爆炸，否則就有蘑菇云了。我不是核專家，也沒看過更多的文獻。加州大學教授Richard Muller的《未來總統的物理課》，有個單元討論核武器和核能，其中一章比較詳細地介紹了核電站和反應堆，下面是有關內容的節選。】

核反應堆的物理與核彈的物理非常類似。兩者都通過鈾235和（或）钚239的鏈式反應釋放能量。核彈通過中子的倍增使整個裂變在百萬分之一秒內發生。反應堆則相反，它通過持續的鏈式反應，沒有倍增過程。在反應堆中，裂變釋放2或3個中子，但平均只有1個會打擊另一個核，觸發另一個裂變，所以反應不會加速。能量以不變的速率釋放出來，將水加熱，產生蒸汽；蒸汽驅動渦輪，渦輪驅動發電機，生成電能。氣煤發電廠也以同樣方式運行，只不過它們是靠燃燒化石燃料而不是鈾來生熱。大型核電站與大型氣煤電站的發電量一樣，大約為10億瓦特。因為普通人家的用電為1千瓦，一座這樣的反應堆能為百萬家庭供電。美國大約20%的電來自104座核電站。

核電站的核能，只是用來為水加熱而已，這確乎有點兒奇怪。也許有一天我們能直接用裂變來發電，但現在熱水方法是最實用的。核潛艇也是如此。核潛艇竟然是靠蒸汽驅動的，想起來真是好笑，但確實是那樣的。新式柴油機潛艇與老式核潛艇之間的根本區別在于其核燃料要高1百萬倍（相同重量），而且核潛艇不需要氧氣，所以能在深海停留很長時間。實際上，核反應堆的部分能量還用來從水中分離氧氣，為船員提供人造空氣。伴隨氧氣從水中分離出來的氫氣通常會變成泡沫鉆進大海，成為廢物。如果不用同樣過程釋放的昂貴氧氣，那些氫是不會燃燒的。

核電站看起來很復雜。它唯一真正與核有關的部分是反應堆，裝在厚厚的金屬容器里，安置在鋼筋混凝土的建筑物中。那些容器里的容器，是為了防止萬一燃料或廢料從反應堆的球芯泄漏出來，不致逃逸到環境中去。來自反應堆容器的水流到蒸汽機，在那兒沸騰。然后蒸汽流向渦輪，驅動發電機發電。

盡管核彈和核反應堆都以鈾為燃料，但純度的要求迥然不同。天然鈾是99.3%的鈾238和0.7%的鈾235。核彈里進行的鏈式反應，必須除去雜質鈾238，才不致吸收太多的中子。反應堆就不同了。費米（Enrico Fermi）在曼哈頓計劃期間建造的第一個反應堆以天然的未分離鈾為燃料，含99.3%的雜質。那怎么行呢？為什么他能在反應堆里用未分離的天然鈾呢？

答案在于鈾238的一個特殊核物理特性：雖然它對裂變釋放的快中子有很高的吸收率，對慢中子的吸收率卻很低。如果在中子打擊鈾238之前減慢它的速度，那么多數中子都會反彈回來。為減慢中子，費米在反應堆中添加了一種他稱之為緩和劑的材料。他的緩和劑是石墨，屬于碳的一種形式。把鈾放進小棒里，棒很小，能使多數快中子泄漏出去，鉆進石墨。它們在石墨中被相對冷的碳原子反彈出來，每次反彈都丟失部分能量，最后（隨機）落回鈾芯。這時，它們已經慢下來，其中只有不到一半的被鈾238吸收。反應堆的設計要滿足平均每個反彈回來的中子能找到一個鈾235原子核，觸發一次新裂變。鏈式反應就這樣穩定下來了。慢中子有時也叫熱中子，因為經過幾次反彈后，它們就只剩從反應堆的溫度獲得的能量。

這些設計的每件事情都基于不同核的特殊性質。碳不吸收大多數快中子；鈾238不吸收大多數慢中子。作為未來總統，你需要了解原子核的結構；你真正需要知道的是，把中子速度減慢，就不必分離鈾了。而且，正如我們下一節要講的，緩和中子對反應堆的安全也有重大意義。

石墨也是切爾諾貝利反應堆用的緩和劑。加拿大用的緩和劑是重水——氧化氘D2O。在美國，我們用普通的水H2O。為了與重水區別，普通水有時也稱輕水。只有在核工業中，普通水才有特殊的名稱。

普通水原來也不會吸收某些中子。中子容易附著在氫上，將氫變成氘。這意味著失去了大量中子，從而阻止了鏈式反應的進行。為避免這個問題，美國反應堆采用部分分離的鈾，含3％的鈾235，通常叫反應堆級鈾。當然，完全的天然鈾在碳和重水緩和的反應堆里也能正常運行。多數鈾分離廠都生產反應堆級鈾，而不是核彈級鈾。要知道，反應堆級鈾是不能用來造核武器的。

如果鏈式反應失控，會發生什么事情？每個核反應堆難道不就是一顆隨時可能爆炸的核彈嗎？我們是不是靠反應堆操作者的警惕來避免那種爆炸呢？它是不是我們應該不惜一切代價來避免的極端危險的技術呢？這些問題的答案在多數公眾看來是顯而易見的：是啊——不值得為核能去冒險。對核災難的恐懼可能就是本章開頭列舉的那些名詞聯想引發的。這種恐懼又被某些虛構的描寫放大了，例如1979年的電影《中國綜合癥》里的核能災難；另外還有一個事實，最著名核反應堆安全檢查員，是幾百萬觀眾在電視里看到的，叫Homer Simpson。【The Simpsons的主角，是春田核電站的安全檢查員。】

我們應該知道這樣一個關鍵事實：核反應堆不可能像原子彈那樣爆炸。公眾的想象是不對的。我之所以能自信地下這個結論，與反應堆的控制無關，而是基于不容爭議的物理。核反應堆有諸多其他危險，但絕不會像原子彈那樣爆炸。

核反應堆安全的物理學理由是，反應堆中心存在大量鈾238，這意味著如果不緩和中子，鏈式反應就會停下來。我重復一遍：除非中子慢下來，否則它們會被鈾238吸收，從而阻斷鏈式反應。

中子緩和后，會發生鏈式反應失控的事件嗎？是的；其實1986年的切爾諾貝利事件就是這樣發生的。但是，在中子緩和的情況下，能量釋放被嚴格限制了，因為爆炸會在大量能量釋放之前破壞反應堆。總的說來，爆炸比中子跑得快。這種事情不會發生在核彈里，因為核彈用純鈾235，鏈式反應能用快中子來進行。

我們還可以這樣來思考：如果慢中子反應堆失控了，裂變能量會聚集，直到其密度足以解體反應堆，這通常發生在能量密度與TNT相當的時候。在切爾諾貝利，能量足以摧毀反應堆的建筑物，引起碳緩和劑燃燒。煙和熱浪攜帶著大量放射性廢料（核反應堆運行中產生的裂變碎片）進入大氣，在整個區域擴散。

核反應堆會爆炸——但只是像普通炸藥，而不像原子彈。這種爆炸比一般炸藥的爆炸更可怕，是因為它釋放的放射性廢料，而不是因為爆炸本身。如果我們用核彈級鈾或钚做反應堆的燃料，結果就大不相了，有可能發生原子彈那樣的爆炸。

分析家們想象了目前美國核反應堆設計可能發生的最惡劣事故，他們頗有想象力地稱那為“中國綜合癥”。這種假想的災難首先是核燃料的熔毀。我們知道，核反應堆的目的是生熱來驅動渦輪發電。裂變生熱，水將熱帶走。假定水因為某種原因（如管道泄露）流失了，那么接著會怎樣呢？

緊接著發生的事情會令大多數人驚奇：鏈式反應中斷。那是因為冷卻水也是一種緩和劑，它會減慢中子。如果水流失了，中子就不再減慢，會保持很快的速度（就像它們釋放出來那樣）。因為鈾238的特殊性質，多數中子都會被吸附在鈾核——那個鈾核不能釋放足夠的維持鏈式反應中子。于是，鏈式反應中斷了。很快就中斷了。

盡管鏈式反應停止了，裂變碎片的放射性還大量留在反應堆的爐芯——因為沒有冷卻水，這些放射性足以使爐芯越來越熱。在一般的反應堆中，這時需要趕緊注入冷卻水。所有美國反應堆都要求配置這種系統。

切爾諾貝利核反應堆發生爆炸時，俄羅斯宣布鏈式反應停止了——那是因為堆芯被破壞了。美國參議院情報委員會主席發表電視講話，指責那是“無恥的謊言”。我感到有點兒難為情。他混淆了鏈式反應與殘余裂變碎片的衰變。他知道輻射并未停止，但他沒意識到蘇聯人是一點兒沒撒謊。鏈式反應中斷了，這個事實很重要，它意味著發電的功率已經陡然下降。

如果急救的堆芯冷卻系統失靈了呢？（記住我們是在考慮可能發生的最壞情形。）假如那樣，燃料將繼續被裂變碎片的殘余輻射加熱，直到最終熔化。這些熱量也會熔化包含燃料的容器壁，熾熱的液態燃料將滴落到鋼容器的底部聚集。當衰變的核耗盡時，放射性將陡落下來。即使如此，計算表明液態燃料仍然會繼續變熱，甚至足以熔化反應堆的容器的特殊鋼材。如果熔化干凈了，放射性材料就開始破壞容器建筑的混凝土基底。雖然基底厚達幾英尺，但誰敢說熱燃料不會一直熔化到底呢？如果基底熔化了，放射性就會露在外面。接著，廢料中的揮發氣體就能鉆進大氣。而熾熱的液態燃料還將向下熔化。如果液體仍然聚集，那么它會一路熔化到底——“直到中國”。

不會的，它到不了中國。（而且，在地球上，中國并不在我們任何核反應堆的另一端。）燃料不大可能流得太遠，因為它會擴散，從而會冷卻下來。不過，那只是一點小小的安慰。容器已經打破，放射性氣體和諸如碘之類的揮發元素才是最令人擔心的。切爾諾貝利事件的多數癌癥都是它們引起的。

核電站的放射性很強，足以殺死5000萬吸收它的人。即使少量放射性泄漏進入大氣，也能造成巨大破壞。我們還記得，切爾諾貝利事件釋放的放射性引發的癌變，最多估計能殺死4000人（根據線性假說）。美國也遭遇過核事故，發生在三哩島……