發生事故的切爾諾貝利

機組和其他多個RBMK反應堆都存在兩個今天看來重大的設計缺陷。在當時的蘇聯學術界可能已經清楚,但由於政治、經濟、或是意識形態的原因,並沒有在更大範圍內擴散。事發時的操縱員應該是不知情的。這兩個設計缺陷在HBO的劇中都有提到,大概是因為影響觀賞性的原因,沒有講太清楚。本篇詳細介紹一下。

1. 正空泡係數:「正」的意思是隨著堆芯內蒸汽所佔的空間上升(也就是沸騰加劇)裂變反應也隨之變快(也就是反應堆功率上升)。這種正反饋是對反應堆安全十分不利的。我們通常設計反應堆要求這個係數必須為負值,也就是形成一個負反饋,有助於堆芯功率的自我穩定。而RBMK在每次剛更換燃料之後的空泡係數是負的,但隨著運行的進度,再到需要換料前,空泡係數會由負轉正。這是一個重大的設計缺陷。而不巧的是,發生事故的4號機組正處於準備進入換料大修前的一次試驗中,此時的空泡係數為一個很高的正值。(至於為何空泡係數會隨著運行由負轉正,簡單來說是堆芯變大、超鈾元素和裂變產物生成共同作用的結果,具體的物理原理在此不做過多贅述。)

2. 失敗的控制棒設計:所謂的控制棒是可以上下移動的中子吸收裝置。升高時(控制棒離開堆芯)裂變反應隨之變快,用於提升功率。下降時(控制棒插入堆芯)裂變反應隨之變慢,用於降低功率。同時插入所有控制棒即為緊急停堆。RBMK控制棒設計的失敗之處在於當棒位被升至最高時(即完全離開堆芯),再下降插入堆芯時會先使反應堆功率有一個小幅的上升,之後才會正常的使功率下降。RBMK有200多根控制棒。在正常的運行工況下,只會有較少數量的控制棒位於有問題的最高位置。(其他控制棒依然部分留在堆芯里。)因此,緊急停堆時不會出現十分明顯的功率上升。但是,4號機組在換料前夕會有較多數量的控制棒位於有問題的最高位置。更為不巧的是,在事故發生前一小時內的一系列操作令更多數量的控制棒來到了有問題的最高位置。控制棒設計的另外一個失敗之處在於它的自由落體下降速度過慢(只有約40厘米每秒),這是由於浮力作用面積過大導致。

在上述兩個重大設計缺陷之外,RBMK在低功率運行時比較不穩定,這是事故發生的誘因之一,但非核心因素。再有,RBMK沒有主流商用反應堆的安全殼(一個巨大的混凝土罩子),但這是爆炸後輻射事故很難有效控制的主因,與引起事故的堆芯爆炸無關。

在本篇的最後糾正一個通常發生的錯誤理解,一些技術報告的混淆視聽也難辭其咎。RBMK反應堆所使用的核級石墨是不會引起燃燒的,這不是造成事故爆炸以及後續發生火情的設計缺陷。劇中的一個細節是消防員拿起從堆芯炸出並散落在地上的石墨塊,沒有任何燃燒過的痕迹。當然,堆芯的石墨塊具有極高的放射性(主要來自石墨中金屬雜質的活化),劑量足以在短時間內致命。事故爆炸據報道曾連續發生過兩次,根據已有信息推測,兩次應該都是蒸汽爆炸(也有一種推測是第二次爆炸為氫氣爆炸)。第一次爆炸是由堆芯功率驟升,沸騰瞬時加劇造成的。第二次爆炸應該是壓力邊界(約70個大氣壓)被第一次爆炸損壞後突然失壓造成更為劇烈的沸騰導致。而後續的火情應該主要來自於高溫燃料和石墨被爆炸射出後引燃建築物頂部的瀝青導致。

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