車諾比34周年,關於核能,我們需要了解什麼?

2020-12-06 聞宇愛百科

2020年4月24日，就在人們紀念哈勃30周年時，車諾比事故34周年的紀念活動，也在低調進行。但是，一場爆發於核汙染區內的大火，再次引起人們對核能的關注。可以說，核能，自從被人類發現以來，就是一個矛盾結合體。

車諾比大火新聞圖片

人類對核能的第一次使用————原子彈，為戰爭而生，卻在1945年以兩朵蘑菇雲，終結了戰爭。在這兩次核爆中，人類被小小原子核中隱藏的巨大能量所震撼，進而研製了破壞力更大的氫彈。但震懾於其威力，整個人類世界在核威懾下的戰略平衡中，維持了半個多世紀的整體和平。

原子彈爆炸後的蘑菇雲

有趣吧，人類最強大的武器，卻鑄就了和平。這是，「武者，止戈」的寫照，也是聯合國總部前，「鑄劍為犁」的美好願景。於是，人類期望通過可控核裂變，在核電站中，安全使用核能。

聯合國總部前「鑄劍為犁」雕像

那什麼是核裂變呢？核裂變如何才能被安全使用呢？

核裂變是一種鏈式反應，在核電站或者原子彈中，以鈾235作為裂變材料。下面是裂變反應中的方程式。

鈾235核裂變反應

當用一個中子撞擊一個鈾235原子，得到一個鋇原子，一個氪原子和3個中子；而3個中子又會繼續撞擊周圍的鈾235，形成鏈式反應。

在核裂變反應中，會有一部分質量轉化為能量，發生質量虧損，而虧損的質量，則會變成能量釋放。原子彈就是在鈾235雪崩一般的核裂變中，將虧損的質量轉變為能量，進而釋放出出巨大破壞力的。

愛因斯坦用著名的質能方程刻畫了這個釋放能量的過程。

質能方程

其中，m為虧損的質量，c為光速，E就是釋放的能量。1kg的鈾235，釋放的能量，相當於10噸TNT炸藥爆炸的能量。

那我們怎麼樣才能讓核裂變鏈式反應的第一個反應開始呢？這裡會涉及到一個叫做「臨界質量」的概念。

在教科書中，臨界質量，指的是維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量。不同的可裂變材料，受核子的性質、物理性質、物料形狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等等因素影響，會存在有不同的臨界質量。

簡單來說，就是想要鈾235核裂變發生，對鈾235的質量、濃度和體積是有要求的，需要達到某一個值。

原子彈結構示意圖

我們以原子彈為例。在原子彈爆炸前，中子源位於原子彈的中央，而裂變材料鈾235則分布在中子源的附近。其中每一塊鈾235，都未達到臨界質量。

當引爆時，原子彈內部的炸藥首先爆炸，產生的推力，會將每一塊鈾235推向彈體中央，使鈾235聚集超過臨界質量。這時，只要有哪怕一個中子撞擊，就會引發鏈式反應，產生巨大的破壞能量。

那在核電站中，人們是如何讓核裂變在可控的狀態下進行呢？

RBMK石墨沸水反應堆示意圖

以上是車諾比曾發生爆炸的RBMK反應堆，中文名為石墨沸水反應堆。簡單來說，理解了以下三點，就明白了石墨沸水核反應堆的基本原理。

核裂變反應在燃料棒中進行，水作為冷卻劑，帶走反應熱量的同時，產生蒸汽推動渦輪機進行發電；核裂變反應所需中子速度不能太快，工程師們用石墨減速劑降低中子速度，使鏈式反應可以持續不斷進行；控制棒通過吸收中子，控制反應速率，使得核裂變反應可控。車諾比事故，正是由於控制棒的設計和人為操作的失誤，導致控制棒無法有效控制核反應的速度，反應堆功率猝增，超過了正常值的10倍。由於溫度過高，熔化的燃料棒，與冷卻液和蒸汽混合，發生爆炸，掀開了屋頂。由此，核反應堆直接暴露在空氣中，造成了可怕的核災難。

車諾比事故發生地

可見，當我們在使用宇宙中如此強大的能源時，一定要在技術及規章制度上做好準備，否則將會遭到反噬，釀成災難。可控核聚變，在能源危機日益逼近的今天，是人類努力的一個方向。

我們從認識核能，到研究核能，應用核能，也就一百年光景。希望核能帶給人類的，不是終結，而是新工業革命的曙光。如果能得到後人如此評價，我們今天的努力，也算值得了。

過去的人真笨，過去的人真難。 ——《地火》劉慈欣

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