HBO电视剧《切尔诺贝利》中最先到达的消防队员捡起了一块巨型铅笔芯一样的碎片——

不久之后,他的手就烂了——

过了几天,他就惨死了。

他捡起来的这块“巨型铅笔芯”就是反应堆中心控制棒的组成部分。

用稍微形象一点的比喻来说,核电站很像是把一颗手雷放置在一个完全密闭并且无比坚固的高压锅内,引爆这个手雷,产生巨大能量,再想办法把这个能量输出。如果没有这个坚固的高压锅,那这个手雷爆炸会把周围一定范围内的人都搞死,而手雷如果不爆炸,就没有办法产生能量。

重核原子经中子撞击后,裂变成为两个较轻的原子,同时释放出数个中子,并且以伽马射线的方式释放光子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子,从而形成链式反应而自发裂变。在这里可以简单总结一下——原子裂变,释放出“弹片”——中子,伽马射线。其中这个中子再撞击原子,再分裂出中子。在这个过程中,释放热量。

我们不需要去理解这些原子,中子,裂变,我们只需要知道,他们会不断分裂,不断四处飞散,不断互相碰撞再分裂成更多高速飞行的弹片,射向四周。

原子核裂变时除放出中子还会放出热,核电站用以发电的能量来源于此。

现实里手榴弹炸开,弹片四射,火光冲天,而核裂变是一样的效果,只不过我们肉眼看不到这些中子,伽马射线,但是它们可以穿透人体等大多数生物体,并且造成DNA结构突变。

对于一座石墨减速沸水堆核电站来说,放射性核燃料钚或者铀会不断裂变并释放出大量热能,高压下的循环冷却水把热能带出,生成蒸汽;高温高压的蒸汽推动汽轮机,进而推动发电机发电。

如果说把放射性核元素铀或者钚比作手榴弹,那么石墨则是这个高压锅锅壁的组成部分。

石墨(Graphite),又称黑铅(Black Lead),是碳的一种同素异形体,具有良好的中子减速性能,最早作为减速剂用于原子反应堆中。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点、稳定、耐腐蚀的性能,石墨正好完全满足上述要求。

切尔诺贝利核电站使用的是压力管式石墨慢化沸水反应炉,简称石墨减速沸水堆,顾名思义,石墨是用来给中子减速从而加剧反应的,沸水则是让水沸腾产生热量发电。

具体原理上,铀裂变产生能量,而石墨的作用主要是减速中子,促进反应——快速发散的中子无法和铀再反应因而不能生成能量,所以需要减速带防止它们“都跑光”,中子撞倒石墨壁以后可以减速变慢,并且返回去再撞击其它中子,加速裂变。

那切尔诺贝利反应堆在结构上具体是怎么实现这种“高压锅”产生能量的呢?

石墨减速带

图中1是石墨做的减速带,准确的说白色那部分,这部分就像墙壁一样让黄色部分(核燃料棒)里面射出的中子减速,返回,最后加速石墨壁内的裂变。

石墨块作为减速剂围绕在包含核燃料的压力管周围,并将其分开。

减速剂被放在一个圆柱形的,内径16米,外径19米的中空水槽里。水槽壁厚30毫米,内部分为16个垂直单元。水从单元底部泵入并从顶部流出。

压力管道

石墨壁环绕的是压力管道,包裹在核燃料棒外面的压力管道长达7米,由焊死的锆合金制成,内径80毫米,壁厚4毫米,由两片交叠的20毫米厚的石墨支撑。其中一片直接接触管道,与石墨堆有1.5毫米空隙,另一片直接接触石墨堆并与管道有1.3毫米空隙。每个核燃料棒组件最后会被固定在压力管道中,每个管道由冷却剂(加压水)单独冷却。

燃料组件

黄色的东西是燃料组件,夹在一层一层的减速剂中间。燃料组件可以被分解为18根燃料柱,每根柱子里包裹氧化铀颗粒。

燃料柱最外面由锆合金(1%铌)制成,外径13.6毫米,厚度0.825毫米,充有压强为0.5 MPa的氦气并完全密封,使得燃料呆在燃料棒中央并辅助散热。每支锆合金管中含有3.5千克的燃料,管道长3.64米,其中有效部分(含有燃料的部分)长3.4米,可以耐受600°C高温,里面装着氧化铀小颗粒。

氧化铀颗粒

微量浓缩的氧化铀颗粒被封闭在燃料棒锆合金管中,由二氧化铀粉末组成, 与粘结剂烧结为直径11.5毫米,长15毫米的桶状。原料中可能含有二氧化铕作为可燃烧的中子毒物来降低新的和用了一部分的燃料的差别。为了减轻热膨胀以及和外壳反应的问题,这些颗粒有半球形凹陷,中心还有一个2毫米直径的孔。这个孔还有助于对气态裂变产物的排出。

这东西的作用就是不停的反应,发热,所到之处,人畜皆死。

核燃料棒插进加压管道再放进石墨壁以内,那么燃料棒这个“手雷”就被放进高压锅了。但是怎样控制能量的高低或者控制反应堆速率呢?

需要往石墨做的减速带里插入控制棒。

控制棒

前面结构图中的2是由硼、碳化硼、镉、银铟镉等能够吸收中子的材料做成的控制棒,插在石墨减速带中间,主要作用是吸收中子,插得越深,反应越弱,插得越浅反应越激烈。

燃料棒散发出来的温度会加热水,变成水蒸气,带动汽轮机发电,而新注入的水可以冷却堆芯防止过热。而控制棒决定了燃料棒的温度和反应速率。

本图为切尔诺贝利核事故发生时的RBMK反应堆控制棒位置。反应堆核心有1661个燃料通道和211个控制棒通道。蓝色是启动的中子源,黄色是底部的短控制棒,绿色是手动控制棒,红色是自动控制棒。上面的数字表示插入深度,单位为厘米,我们可以额看到,大多数绿色部分,控制棒都插不进去,所以反应堆持续高温,最后炸了。

为什么会插不进去呢,因为好死不死的苏联人在控制棒前端搞了点石墨。

反应堆的大多数控制棒都是从上方插入的,另外有24根短棒则是从下方插入以用来增加对核心纵向输出分布的控制。

在切尔诺贝利事故机组,除了12根自动控制的控制棒,所有控制棒在末端都有4.5米长的石墨,被用来增强在控制棒插入和取出时中子流衰减的差异,因为水也是一种中子吸收剂,石墨会将水置换出来。

设计师只在想拔出控制棒的时候可以中和反应,没有想到在插入的时候,这些石墨会先促进反应。因为燃料棒发射出来的中子碰到石墨壁被吸收一部分,减慢速度,又反弹回去一部分再次撞击其它中子,加剧反应。

所以在切尔诺贝利事故中,本来操作员就把控制棒拔得差不多了,反应堆堆芯温度极高,然后插控制棒回去的时候,控制棒尖端的石墨又加速反应,温度更高,再加上热胀冷缩导致减速带已经形变,控制棒插了一截就卡住了,不能完全插入,最后一个插入所有控制棒的紧急制动按钮成为了导致反应堆爆炸的元凶。

在反应堆里,只有堆芯的控制棒尖端和压力管道壁上能见到石墨,而这些部位的石墨又是紧贴高温的燃料棒的,附带强烈的放射性污染。当我们已经可以看到石墨,就意味着被密封的反应堆已经被炸得核心暴露,四分五裂了。

当时苏联人炸掉了切尔诺贝利4号机组以后,用了无数小伙子们的命去填坑以后,还认为我伟大光荣正确的苏维埃是不会有错的,是世界上最先进的,所以列加索夫院士用自杀来提醒自己的同行,用自己的生命换来了苏联政府对这个错误的纠正,不过为时已晚,切尔诺贝利事故后几年,这个永远伟大光荣正确的国家就解体了。

最后,还要纠正一下,首先石墨没有放射性但是和核燃料接触被污染的石墨是有的,其次铅笔芯也不完全是石墨,铅笔芯是石墨和粘土制成的,如今已经没有哪个实诚的公司会真的用铅、石墨给你做笔芯。

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今天回答个专业相关的问题。

切尔诺贝利核电站使用的堆芯类型是RBMK,即压力管式石墨慢化沸水反应堆。

世界上第一座核反应堆即芝加哥一号就是石墨反应堆,是最早的一种反应堆堆芯。

所谓石墨反应堆,是以石墨作为慢化剂的一种反应堆,除了石墨可以作为慢化剂,其他的可以作为核反应堆慢化剂材料的还可以是普通水、重水等。

图释:石墨反应堆流程图

石墨就是铅笔芯的那种材料,只不过铅笔芯的主要材料不是石墨,而是黏土,石墨化学性质稳定,很耐腐蚀,用石墨块堆砌起来,将燃料棒插到其中就构成了石墨慢化反应堆的主体。

立陶宛伊格纳利纳核电站的一台RBMK—1500的反应堆房减速剂块由核能级石墨制成,大小250×250×500毫米。其纵向方位有直径114毫米的孔以便燃料棒和控制棒插入。这些石墨块则放置在一个14米直径、8米高的圆柱形反应堆容器。

图释:石墨反应堆堆芯

科普小贴士:

热中子核反应堆必须要有慢化剂,裂变反应会放出2-3个中子,中子的能量 0.05 MeV 到 10 MeV,平均能量也有2MeV,而引起核裂变的最优的中子能量是几电子伏特,如果中子能量过高,下一个原子核就无法捕捉到速度很快的中子,更无法与之反应,链式反应只好终止,因此热中子核反应堆中必须有慢化剂。

图释:堆芯详细结构图

这样就需要把释放出的中子的速度减下来,以更好的参与核裂变。

石墨慢化的是中子,长年累月暴露在中子流的照射下,经过中子活化,放射性极大,因此在电影《切尔诺贝利》中救援人员将爆炸喷射出的石墨块用铁锹铲进去时都受到了超额辐射。

今天的科普就到这里了,更多科普欢迎关注本号!

切尔诺贝利核电站的反应堆叫RMBK,压力管式石墨慢化反应堆。燃料棒之间的减速剂用的是石墨。

石墨块大量地填充在堆芯里,地上看到石墨,就说明反应堆已经完全被破坏,内部爆炸了,炸出来的石墨块可不就是单纯的石墨了,上面必然沾染了燃料棒的碎片,具有了强烈的放射性。

你被手榴弹炸了,肠子流了一地,然后你说自己还很健康?

到底有没有认真看剧啊……石墨是反应堆内部的减速棒,内部!一个内部材料都被炸出外面了说明反应堆已经被炸出洞内部反应物质已经泄露,有有放射性的是反应物跟石墨没关系

简单地说:就是放射性物质附着在石墨上面了!就像灰尘或者泥巴粘在衣服上一样。

一些核反应堆(如切尔诺贝利的RBMK大型沸水石墨反应堆)使用石墨作为中子减速剂。据我所知,这种石墨材料,无论是以棒的形式还是以嵌有通道的块的形式,都包围着铀燃料棒,用来缓和裂变反应。

1970年第一个RBMK-1000反应堆在切尔诺贝利开始建造之前,俄罗斯核计划在整个50年代为RBMK反应堆开发了技术。RBMK是一个缩写,意思是“高功率通道型反应堆”。 用最简单的话来说,反应堆是一个装满原子的巨大容器,是构成我们所见一切的积木。它们本身由三种粒子组成:质子、中子和电子。

在一个反应堆中,中子与另一个原子碰撞,将它们分开并产生热量,这一过程被称为核裂变。这些热量有助于产生蒸汽,蒸汽被用来旋转涡轮机,进而驱动发电机发电,就像烧煤一样。 在切尔诺贝利4号反应堆发生爆炸的RBMK反应堆高7米,直径约12米,重约1700吨。反应堆最重要的部分是核心夹在石墨之间,就像汉堡里的肉。

堆芯是裂变反应发生的地方。它有成千上万个包含“燃料棒”的通道,燃料棒由铀组成,铀中的原子“容易”分裂。堆芯也有控制杆的通道,由硼组成,顶端有石墨,设计用来中和反应。水流过燃料棒通道,整个结构被钢铁和沙子包裹着。 水对于理解切尔诺贝利发生的事情至关重要。在RBMK反应堆中,水有两个作用:保持冷却和减缓反应。这种设计在世界上任何其他核反应堆中的实施方式都不一样。 燃料棒是反应堆的动力,由铀原子组成。铀原子在堆芯投下“一张网”,当中子在堆内四处乱窜时,它们会穿过周围的固体石墨。石墨“减缓”这些中子,就像水一样,这使得它们更有可能被铀原子网捕获。

与这个网碰撞可以释放更多的中子。如果这个过程在连锁反应中反复发生,就会产生大量的热量。因此,管道中的水沸腾,变成蒸汽,用来发电。 如果不加控制,这种反应会失控并导致堆芯熔毁,但控制棒是用来平衡反应的。简单地说,如果反应堆产生了太多的能量,控制棒就被放入堆芯,防止中子有规律地碰撞,减缓反应。 在一个完好的反应堆里,系统和控制系统的人确保天平永远不会以这样或那样的方式偏离太远。

控制棒进出反应堆,水不断地被泵入以保持整个反应堆冷却,发电厂产生电量。 但是如果核电站本身失去电力,会发生什么?这是RBMK反应堆的缺点之一。没有电力意味着不再泵送水来冷却反应堆,这可能很快导致灾难。 从裂变铀原子核中逃逸的中子与石墨原子核碰撞,使它们裂变并导致不稳定。因此α、β、γ等射线的发射 ,从而具有放射性。 这是因为中子,但是碳太小了,不容易裂变。碳-12和碳-13是稳定的,但是碳-14通过β发射衰变,大多数更高的碳同位素也是如此。

放射性的第二来源是裂变产物和稳定同位素中子辐射的放射性产物的污染。 如果使用石墨控制棒,会导致第二次辐射污染。 RBMK使用石墨尖头控制棒,不是石墨控制棒。 石墨不是用作控制棒,而是用作中子减速剂,类似于轻水或重水。 减速剂的作用是将中子减速到热速度(热中子),以改善裂变反应,因此持续的裂变反应甚至在低浓缩铀甚至天然铀(重水核反应堆)中也是可能的。最好的慢化剂具有低中子吸收能力。

适度原则是建立在纯粹的机械基础上的,因为快中子与慢粒子(质子、氘、碳原子核)碰撞,碰撞重新分配动量。 从力学的角度来看,质子是最好的缓和剂,但是,它们与中子会相当程度地融合,所以需要浓缩铀(与氘相反)。 控制棒则相反。它们通过吸收过量的中子来调节中子。 随着时间的推移,中子活动越来越差,调整装置,逐步退出。 紧急设置,当被触发推入时停止裂变。 这些控制棒通常含有镉或优选硼,具有用于中子吸收的高横截面。 硼酸也用于二级/三级回路的冷却水,其中水仅用作传热介质,而不是减速剂。

石墨本身没有放射性。就像海绵,不一定有水。但是海绵吸水。石墨可以吸附中子。是石墨堆里的减速剂,吸附了放射性中子的石墨。就像是吸附脏水的海绵。

一壶烧开后的水,水烫手对不?那么刚刚烧开后水壶的外壳烫不烫?

一般物质在长时间接受辐射的情况下,都会产生放射性!

吸收了大量辐射,除了石墨,周围的物体都有辐射。

关于事故的起因,官方有两个互相矛盾的解释。第一个于1986年8月公布,完全把事故的责任推卸给核电站操纵员。第二个则发布于1991年,该解释认为事故是由于压力管式石墨慢化沸水反应堆(RBMK)的设计缺陷导致,尤其是控制棒的设计。双方的调查团都被多方面游说,包括反应堆设计者、切尔诺贝利核电站职员及政府在内。

另一个促成事故发生的重要因素是职员并没有收到关于反应堆问题报告。根据Anatoli Dyatlov—一名职员所述,设计者知道反应堆在某些情况下会出现危险,但蓄意将其隐瞒。这种情况是因为厂房主管基本由不具备RBMK资格的员工组成造成的:厂长V.P. Bryukhanov,只具有燃煤发电厂的训练经历和工作经验,基本上是负责政战的主管,事发半夜演习时并不在场,但主导演习的副厂长是核能专业。他的总工程师Nikolai Fomin亦是来自一个常规能源厂。3号和4号反应堆的副总工程师Anatoli Dyatlov只有“一些小反应堆的经验”。

第二个“有缺陷的设计之解释”是由Valeri Legasov于1991所公布,把事故的原因归咎于RBMK反应堆设计的缺陷,特别是由于控制棒的缺陷。

反应堆有一个危险的空泡系数(void coefficient)。空泡系数是一种衡量反应堆安全程度的数据,用于测量水冷却剂中蒸汽汽泡的形成与增加对于反应堆的影响。大部分的反应堆设计会在水温升高时产生较少的能量。这是因为如果冷却剂含有蒸汽气泡,则能被减速的中子数量将会下降。速度快的中子一般不易造成铀原子的裂变,所以反应堆会产生较少的能量。然而,切尔诺贝利的RBMK反应堆,使用固体石墨当作中子慢化剂来降低中子的速度[8],且用吸收中子的轻水来冷却核心。因此尽管水中有蒸汽汽泡产生,仍有大量中子被慢化。此外,因为蒸汽吸收中子不像水那样的容易,因而增加RBMK反应堆的温度,就会有更多的中子能够铀原子裂变,增加反应堆的能量输出。这种设计导致RBMK在低功率时非常不稳定,在温度上升时存在输出能量在短时间内达到危险水平的倾向。这对于工作人员而言是难以理解和预见的。

在这个系统中更重大的缺陷是控制棒的设计。在控制反应堆时,操纵员通过将控制棒插入反应堆来降低反应速度。在RBMK反应堆的设计中,控制棒的尾端是由石墨组成,延伸部份(在尾端区域超出尾端的部份,大约是一米或三英呎长度)中空且充满水;而控制棒的其他部份由碳化硼制成,是真正具有吸收中子能力的部分。因为这种设计,当控制棒一开始插入反应堆的时候,石墨端会取代冷却剂,反而大大地增加了核分裂的反应速度,因为石墨能够吸收的中子比沸腾的轻水少。因此一开始插入控制棒的前几秒钟,反应堆的输出功率反而会增加,而不是预期的降低功率。反应堆操纵员对于这一特点也不知晓,且无法预见。

——本回答为西安鼎昂数字货币智能量化全自动炒币机器人(历时收益,数据核对,实况直播)公司整理。

一般物质在长时间接受辐射的情况下,都会产生放射性!

吸收了大量辐射,除了石墨,周围的物体都有辐射。