謹轉此文給那些自認為核工程簡單得像個發動機一樣的003核黨小白_風聞

上次轉瀚海狼山三篇妙文討論003，討論到船舶核動力的時候，發現有鍵盤俠已經超越了小白，認為核堆的研發流程簡單得一比，要什麼複雜的資質認證？特轉此文，供大家咂摸味道～一失足成千古恨——蘇聯RBMK系列反應堆及切爾諾貝利核事故

自從費米在芝加哥大學採用石墨磚製造了世界第一台反應堆以後，各國第一代的核反應堆都是以石墨為減速劑建設的，其中，英美主要的是石墨氣冷堆技術，主要以生產鈈為目的，發電為次要目的（見上一篇專欄）;而蘇聯則進一步發展了石墨堆，創造了石墨水冷沸水堆這個形態，在1954年首先在奧布寧斯克使用該技術建立了一座5MW的商業發電的核能發電站，創造了核電技術進入應用的開端。1970年，隨着列寧格勒核電廠的併網發電，一種堪稱石墨液冷堆的極致的“先進大功率壓力管水冷石墨反應堆”（RBMK）出現了。相比於氣冷石墨堆，蘇聯的液冷石墨堆最大的不同點就是它使用輕水代替了二氧化碳氣流作為冷卻劑，同時冷卻水也能夠進一步減速中子（這成了切爾諾貝利事故的禍根之一）。在整體佈局上，RBMK用石墨搭建了一個巨大的“蜂窩煤”結構，在蜂窩煤中，交替安裝燃料棒，控制棒和冷卻水管，中心放置啓動中子源。

在工作時，啓動中子源釋放中子啓動第一次鏈式反應，釋放的快中子通過石墨和冷卻水進行減速，在下一級燃料棒再次產生核裂變，從而源源不斷產生熱能。由於石墨是耐高温的熱良導體，熱能通過石墨框架加熱水管的水，由於反應堆温度很高，因此水被加熱到沸點，沸水再通過泵進入汽水分離器，在那裏汽化成蒸汽，推動汽輪機發電。由於該反應堆沒有熱交換器，所以屬於沸水堆，但正常模式下水在進入汽水分離器之前會在壓力管內保持液態，所以他和福島核事故的單純沸水堆並不是一樣的。

石墨堆有很多好處。由於石墨堆中子減速效率高，和重水堆類似，它很容易把中子能量控制到鈾235最容易進行核裂變的等級，因此它需要的鈾濃縮程度很低，理論上只需要天然鈾的濃度，不過實際上經常使用2%左右的低濃度濃縮鈾，低於輕水堆的3%。所以使用該堆能夠節約鈾濃縮成本。

除此之外，石墨堆和上一期的重水堆還共有容易生產鈈239，其他同位素，可不關機更換燃料棒等優勢，但由於石墨成本比重水便宜很多，因此建設石墨堆非常符合蘇聯的經濟環境，在1970之後蘇聯開工新建的核反應堆中，一多半都是RBMK式反應堆。

但石墨堆有很多嚴重的安全隱患，最終一連串連鎖反應導致切爾諾貝利的災難爆發。

第一，由於石墨是熱的良導體，比熱容比水少很多，因此落下控制棒停堆後，石墨體本身會很快冷卻。由於蘇聯緊急柴油發電機啓動後需要40秒熱車達到穩定供電功率，在反應堆關閉後有幾十秒無法切換到備用電源，因此需要反應堆有足夠的存熱保持汽輪機不至於立即停轉。對於壓水堆，沸水堆來説這並不困難，因為幾百噸高温冷卻水（液態水的比熱容是常見物質最大的）有足夠熱量維持汽輪機繼續運轉1分鐘，但石墨（比熱容是水六分之一）就不行了。所以切爾諾貝利發生爆炸的直接原因，就是事發時正在做高風險緊急停堆實驗。

第二，石墨堆同位素生成量比較大，有時候調節不當會產生很多中子毒物（指核反應中出現的某些裂變產物，大量吸收中子，導致反應堆中子利用率下降），切爾諾貝利前一夜就發生了中子毒物堆積的問題。根據記錄：因蒸氣渦輪後備供電測試計劃，反應堆於午夜後的夜班由白天的1600MW半功率逐步降低至700MW功率，在當時的操作條件下未及反應的氙135累積發生反應堆毒化，反應堆功率未能穩定在700MW，而是跌落至30MW。值班主任阿基莫夫正確判斷出反應堆毒化，建議停機，等待24小時待氙135經反應消耗後再逐漸提升反應堆功率；但代理總工程師迪亞特洛夫擔心為影響到日常運行及測試工作負責，以開除兩人要挾，執意要迅速恢復反應堆至計劃所定的700MW。在壓力下值班主任阿基莫夫和操作員託普圖諾夫解除了一系列安全措施，試圖儘快恢復反應堆功率，漸次將211支控制棒中的205支完全拔出，使反應堆處於功率失控的危險狀態；僅因反應堆毒化，反應堆功率的上升滯後，暫時停留在200MW。待反應堆於200MW下燃掉積累的氙135重新激活後，1:23:35僅受6支控制棒束縛的反應堆功率急劇上升。5秒後，1:23:40值班主任阿基莫夫按下緊急停機鈕AZ-5，控制棒立即回插，但為低功率拔出時穩定反應堆而作了負反饋優化的控制棒，在高功率從零插入時短時間內反之帶來正反饋作用，7秒後，1:23:47反應堆功率驟然升至33000MW，超出設計最大功率的10倍，引發蒸汽爆炸，帶來嚴重後果。由此可見，石墨堆嬗變產物複雜的問題，直接導致反應堆功率控制變得更加困難。

第三，RBMK的冷卻水直接通過石墨堆核心，這會導致它也會減速中子，正常需要把他計算在中子減速劑之內。但是由於RBMK是一款沸水堆，在温度很高時（如切爾諾貝利當天）壓力管內的冷卻水也會迅速氣化，此時水蒸氣氣泡產生了冷卻劑空泡效應，使得反應堆中子通量更大，更加加劇反應速度。而傳統壓水堆，沸水堆在產生氣泡時，會導致中子能級提升到不易發生核裂變的水平，反而降低了反應速度。在切爾諾貝利之後，蘇聯提升了鈾濃縮濃度，提升了正常工作中子能級，這樣發生氣泡後就可以讓中子脱離易裂變能級，降低功率。

第四，由於反應堆低功率時產生中子毒物可能性高，因此啓動反應堆時應當儘快提升功率，所以蘇聯修改了控制棒的結構，控制棒最下層是石墨，中間是鎘，這樣在啓動拔出控制棒時，中子吸收劑（鎘）拔出後，石墨會第一時刻貼到燃料棒上，從而快速提升功率跨過中子毒物產生功率。但要命的是，這個棒在插進去時成了石墨先接觸燃料棒，反而插進去瞬間會突然加速反應，因此切爾諾貝利爆炸時插進控制棒不但沒剎車，反而猛地踩了一腳油門，引發功率過高立即爆炸。

由於這些設計中未排除的設計缺陷，加上事發時操作人員忽略了核反應堆操作的“絕對安全”原則，最終造成了世界上無可挽回的切爾諾貝利核事故，在那之後，蘇聯終止了一切新建RBMK反應堆，既有的反應堆也會在最近十年達到50年極限壽命時被安全性高的VVER壓水堆替換。這件事生動告訴我們一個教訓：一切的技術開發，不能以犧牲安全作為代價。

文章來源：B站冰封之龍專欄文章