第十五课 不能揭开的“被子”——核电防护层
第十五课 不能揭开的“被子”——核电防护层
自从1979年3月美国三里岛核电站发生事故以后，核电的安全性就引起了全世界的关注。而1986年4月的切尔诺贝利核电站事故更是敲响了核安全的警钟。
核电的安全性究竟怎样呢？为了解决这个问题，有些国家的核电站对外开放组织人们参观，让更多的人了解核电站的真相。
核电站的主要危险
核电站的反应堆不会像原子弹那样爆炸，它的潜在危险是强放射性裂变的产物泄漏，造成对周围环境的影响。
原子弹是由高浓度（大于93%）的裂变物质铀-235或钚-239和复杂精密的引爆系统所组成的，通过引爆系统把裂变物质压挤在一起，达到超临界体积，于是瞬时形成剧烈的链式裂变反应，在极短时间内，释放了巨大的核能，产生核爆炸。
而反应堆的结构和特性与原子弹完全不同。反应堆大都采用低浓度裂变物质作为燃料，而且这些燃料都分散布置在反应堆内，在任何情况下，都不可能像原子弹那样把燃料压挤在一起而发生核爆炸。
同时，反应堆还有各种安全控制手段来实现受控的链式裂变反应。当核能意外释放太快，堆芯温度上升太高时，链式裂变反应会自行减弱乃至停止。
不能揭开的“被子”
核电站安全屏障
为了防止放射性物质的泄漏，核电站设置了四道安全屏障：
第一道屏障是核燃料芯块。现代核反应堆广泛采用耐高温、耐辐射和耐腐蚀的二氧化铀陶瓷核燃料。经过烧结、磨光的这些陶瓷型的核燃料芯块能保留住98%以上的放射性裂变物质不逸出来。只有穿透能力较强的中子和γ射线才能辐射出来。这就大大减少了放射性物质的泄漏。
第二道屏障是锆合金包壳管。二氧化铀陶瓷芯块被装入包壳管，叠成柱体，组成燃料棒。由锆合金制成的包壳管必须绝对密封，在长期运行的条件下不使放射性裂变产物逸出，一旦有破损，就能及时发现并采取措施。
第三道屏障是压力容器和封闭的回路系统。这道屏障足可挡住放射物质外泄。即使堆芯中有1%的核燃料元件发生破坏，放射性物质也不会从它里面泄漏出来。而2011年福岛第一核电站1号机组反应堆的压力容器内燃料棒熔化崩塌，使得反应堆压力容器底部的配管焊接部有多处熔化并出现漏洞，漏洞的直径总长约数厘米。
第四道屏障是安全壳厂房。它是阻止放射性物质向环境逸散的最后一道屏障，一般采用双层壳体结构，对放射性物质有很强的保护作用。安全壳为带有半球形顶的圆柱体钢筋混凝土建筑物，直径约40米，高约60米，厚约1米，内衬6毫米厚的钢板以确保整体的密封性。
安全壳是核电站的标志性建筑物，核反应堆蒸汽供应系统的所有设备均装在其内。安全壳能承受地震、飓风、飞机坠落等各种冲击，是核电站的保护神。万一反应堆发生严重事故，放射性物质从堆内漏出，由于有安全壳厂房的屏障，对厂房外的环境影响也微乎其微。
切尔诺贝利蹬掉的“被子”
核电站的四道安全屏障能有效地确保核电站的安全，但总会有些意外的事情发生。
让我们看看1986年4月26日发生的切尔诺贝利核泄漏究竟是哪里出了问题。
切尔诺贝利核电站有4个反应堆，每个堆的发电功率为100万千瓦，位于基辅以北130千米处。
切尔诺贝利核电站是石墨沸水反应堆。核燃料放在锆合金包壳管（也就是第二道屏障）中，包壳管周围有流动的水，水被加热后变成蒸汽推动汽轮机发电。继而蒸汽经冷却系统冷却成水后再被打入包壳管中，如此循环。在核燃料包壳管的中间装有很多石墨棒（我们用的铅笔中的笔芯其实就是石墨棒）。石墨棒使裂变中出现的快中子慢下来，也就是用石墨来调节裂变不要太“激烈”，让它不是瞬间产生巨大的能量，而是慢慢产生热量。
下面就该说说事故发生的过程了。
4月26日1点00分，4号反应堆的操作员根据停堆检修计划，降低反应堆的运行功率并切断了反应堆冷却系统。时值周末和“五一”前夕，基辅动力公司调度员不同意把反应堆停下来，结果使反应堆在没有冷却系统的危险情况下运行。
本来，在停堆前借这个机会对汽轮发电机进行试验，测一些数据，并没有什么特别。但操作员操作失当，结果一下子使反应堆功率下降到几乎为零，而正常操作应是逐渐降低，此时却好比急速行驶的汽车突然来了个急刹车。
为了更快地完成试验，操作员又把石墨棒提升起来。石墨棒是控制棒，控制反应堆裂变的程度。按规定，反应堆内的控制棒最少应保持30根，少于30根需要总工程师批准。但任何情况下，绝对不允许少于15根。可是，他们把石墨控制棒抽到只剩6~8根。
本来，反应堆还有自动保护系统。只要反应堆的温度超过警戒值，反应堆会自动停止以保证安全。
但是，他们为了方便，防止在试验中保护系统自动中断试验，就把本来就不算多的安全保护系统大多关闭了。
就这样，反应堆在没有冷却系统、没有安全保护系统的情况下违反正常规定条件下运行。结果是，反应堆中蒸汽急剧增加，热量传不出去，烧坏了芯块和包壳管，第一、第二道屏障失效，第三道屏障——压力容器中压力上升。
1点23分48秒，第一次产生热爆炸。3秒钟后又产生第二次爆炸。压力容器和安全壳被巨大的爆炸威力冲破。这里需要注意的是，爆炸是由于大量的压力积攒，同时产生大量的氢气发生爆炸，而并不是像原子弹那样的核爆炸。
爆炸使反应堆金属构件移了位，全部高压管被毁，反应堆厂房倒塌，反应堆内的石墨和核燃料飞出堆外，产生大火。
永不言弃的核电
核电站的设计和制造标准比常规工业要高得多，并且，为达到这些标准而实施的质量控制和质量保证也要严密得多。
美国对轻水核电站事故分析表明，100座反应堆，需要运行2500年才会造成一次10人以上死亡的事故。所以，正常情况下，有着严密保护层的核电站是安全的。但是，一旦遇到一些因人为因素或自然灾害引起的事故，往往就会酿成非常巨大的灾难，至今发生的三次较大的核电站事故都说明了这一点。
除此之外，即使在正常运行的情况下，人们不得不解决另一个棘手的问题，这就是下一课的核废料。
（执笔 仲琦）
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