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乌:爆炸超过切尔诺贝利10倍!欧洲最大核电站的威力有多大?

科学美少男 2022-03-07 浏览245次
乌:爆炸超过切尔诺贝利10倍!欧洲最大核电站的威力有多大?的头图

乌克兰扎波罗热核电站是欧洲最大的核电站。据报道,核电站在俄乌冲突中发生了火灾。关于核电站起火是谁引起的以及俄乌问题这里不讨论。不过,乌克兰外交部长德米特罗·库莱巴在社交平台描述:如果扎波罗热核电站爆炸,威力将比切尔诺贝利核电站大10倍!这就有点危言耸听了。

着火点离反应堆很远

首先,外媒所报道的扎波罗热核电站由于冲突发生火灾,实则是核电站内的办公楼着火。就是下面图片中,冒着烟的办公楼。

国际原子能机构(IAEA)在发布会上介绍了扎波罗热核电站的具体情况,并配上了俯视图。可以看到六座反应堆离冒烟的行政办公楼很远,所以说核电站很安全。

即使假设反应堆机组出现了问题,其威力也达不到切尔诺贝利那种级别,更不要说是大10倍。因为该核电站的6座反应堆均为压水反应堆,而且反应堆中的放射性原料更少。

核能

核电站的本质都是“烧水”产生蒸汽推动汽轮旋转,汽轮带动发电机旋动发电。不同的是,火力发电站用煤炭来烧水,而核电站则是利用核裂变产生的核能来给水进行加热。

一般来说,核电站都会选用自然界中最重的元素铀(235)原子作为原材料。因为铀原子核不稳定,当我们用中子去轰击它时,铀原子核就会被拆成两个新的原子核和中子。关键是反应后生成的物质质量之和,小于被轰击前的铀原子核。“消失”的质量会以能量的形式释放出来,这就是“核能”。

这个能量有多大呢?爱因斯坦的质能方程告诉我们是亏损的质量(m)乘以光速(c)的平方。光速是一个非常大的值,平方则更大。因此,投向广岛的那颗原子弹,铀-235发生裂变后质量仅亏损约1克却炸出惊天蘑菇云。

我们再举一个例子,上海2020年全年用电量接近1600亿千瓦时。全用煤炭进行发电需要2750万吨,如果用铀燃料发电仅需234吨,10多万倍的差距。

链式反应

核能之大,使用起来要小心翼翼。对于火力发电站来说,除了煤炭,炉子中需要源源不断通入空气(氧气)才能持续燃烧。核电站的反应炉则需要中子,数量不能太多,也不能太少。

过多,在链式反应过程中,中子会越来越多,导致最后反应极为剧烈,引起爆炸。过少,反应太过微弱,难以持续进行链式反应,可能会“熄灭”。

为此反应堆内会插入大量对中子具有强烈吸收作用的控制棒。通过移动控制棒,来控制中子的数量,从而灵活掌控核裂变的反应程度,也是在控制反应堆的输出功率。

(切尔诺贝利核电站石墨水冷反应堆)

此外,铀原子的内部其实非常空旷,原子核的体积非常小。如果将铀原子比作足球场,那么原子核连足球大小都达不到。因此在反应堆内需要添加减速剂(慢化剂),使中子的移动速度慢下来,才能增加“相遇”的概率,从而提高裂变效率。

根据反应堆类型不同,慢化剂分为水、石墨等等。此外,还需要冷却剂,也就是被核能加热的物质,一般都为水。

巨大差异

切尔诺贝利核电站为石墨沸水堆,慢化剂为石墨是可燃物,冷却剂为水。

扎波罗热核电站为压水反应堆,慢化剂和冷却剂皆为水。

(扎波罗热核电站反应堆、切尔诺贝利核电站反应堆)

石墨沸水堆

1986年,切尔诺贝利核电站发生爆炸时,反应堆内的石墨整整燃烧了10天才化为灰烬。其所产生的放射性烟雾冲到了大气层中,扩散至整个欧洲。

从结构上看,切尔诺贝利的防护措施只有燃料棒上包裹铀的锆合金壳。当时核电站一系列错误操作,导致反应堆功率在4秒内升至锆合金所能承受极限的100倍。锆合金瞬间熔化,冷却水瞬间气化,气体体积迅速膨胀,继而产生爆炸。

另外切尔诺贝利核电站的反应堆为半封闭式,上方为承受能力较弱的屏蔽砖块。爆炸冲击波以砖块为宣泄口,将屋顶直接掀翻,将大量放射性物质暴露在外。

压水反应堆

扎波罗热核电站的压水反应堆,具有双回路结构。

一回路在反应堆内,内部为高压环境,水被加热300度也不会沸腾,故名“压水堆”。水经过产生核能的压力容器吸收热量,然后沿封闭式管路穿过二回路的蒸汽发生器,将热量传递给二回路的水。两条回路间只有能量交换,不存在物质交换。因此,只有第一条回路内的水具有放射性。

切尔诺贝利为单回路,无论是石墨、石墨产生的浓烟、还是冷却水,水蒸气皆与反应堆内的放射性原料有接触,都具有放射性,包括这些东西所接触的任何东西,因此灾难发生后只能用石棺将其封印住。

铜墙铁壁,三道防线

如果扎波罗热核电站,出现了与切尔诺贝利相同的情况会发生什么?

首先第一道防线燃料棒保护层崩溃,放射性物质会被封闭在压力容器以及一回路内。压力容器为壁厚高达20厘米的特种不锈钢材料,可以承受地震等现象所造成的巨大破坏力,并在一定程度上承受动力冲击。

假设第二道防线也失守了,那么完全封闭的重型混凝土安全壳也能封锁住放射性物质。据伦敦敦帝国理工学院的马克·温曼博士介绍:

安全壳可以承受极端的外部事件,包括自然和人为事件,例如飞机坠毁或爆炸。

这样的设计目的就是为了抵御自然灾害以及大爆炸,其防御能力和被淘汰掉的石墨沸水堆完全不在一个层次上。国际原子能机构的专家表示:根据现场发现的炮弹类型,不太可能突破安全壳。

综上所述:

虽然核能爆炸威力之大,但扎波罗热核电站反应堆是双回路结构,封闭性更好。反应堆的堆芯没有助燃的石墨,更安全。还比切尔诺贝利多了两层“铜墙铁壁”,因此爆炸威力以及核泄漏会小于切尔诺贝利,而不是像乌外交官所说的大10倍。


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