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核电站会像一样发生爆炸吗

发布时间:2019-11-05 13:36 来源:未知 编辑:admin

  核电站不会像那样发生爆炸 核燃料中有效成分是铀-235,铀-235同样也是中的核炸药,那么核电站会不会像那样爆炸呢?不必担心,绝没有这种可能性!核燃料中铀-235的含量约为3%,而核炸药中的铀-235含量高达90%以上

  众所周知,核反应堆和核武器都是通过链式反应来进行的。链式反应很好理解。被中子轰击的重原子核分裂成两个(在少数情况下,可分裂成3个或更多)质量相近的碎片的现象称为原子核的裂变。对于易裂变的原子核(铀235、铀233、钚239)每次裂变可以平均释放出大约200MeV左右的能量和2.5~3个中子。如果新产生的中子又将引起其他的易裂变核发生裂变,从而形成了一个自动持续的反应链,这就是链式反应。

  但是链式反应实际上包含三个条件:易裂变核、裂变释放出更多中子、新产生的中子能够引起其他的核再发生裂变。这三个条件缺一不可,比如铀238也能裂变并且也能放出中子,但是它裂变有中子能量的限制,放出的中子不会引发其他铀238核的裂变,所以铀238做不了核武器装药,好在铀238吸收中子之后可以经过两次衰变,转变成易裂变的钚239,也就是说铀238可以作为一种转换材料在反应堆中得到部分利用——当然这个过程也被可以用来生产作为核武器原料钚239,只是在工程上和核电有一定区别。

  中子在一个核反应堆当中有可能泄漏出去,也有可能被其他物质(比如结构材料、冷却剂、慢化剂)的原子核吸收,也有可能被易裂变原子核的(n,γ)吸收而不引起裂变,也有可能被吸收后引发易裂变原子核的裂变。前三者情况下会减少中子数量,后一种情况下会引起中子的增加,增加1.5~2个,这个增加的过程扣掉前面被减少的中子,就得到每次裂变反应产生的次级中子数量,通常用k表示,实际上就是相邻两代中子增殖的倍数。这个数值实际上分成了三种情况:

  1.如果每次裂变反应产生的次级中子平均有一个能引起下一级的核裂变反应(k=1),则链式反应就可以自行维持下去,这种情况称自持链式裂变反应,与此对应的裂变系统的状态就称为临界状态,临界状态是核反应堆的正常工作状态。

  2.如果每次裂变反应产生的次级中子平均有一个以上能引起下一级的核裂变反应(k1),则裂变反应的规模将越来越大,这就叫发散型链式裂变反应,与其对应的裂变系统的状态称为超临界状态,超临界状态是裂变武器核爆炸时所处的状态。

  3.如果每次裂变反应产生的次级中子平均不到一个能引起下一级的裂变反应(k1),则裂变反应的规模就将越来越小,直到反应终止,这样的链式裂变反应称为收敛型链式裂变反应,与其对应的裂变系统的状态称为次临界状态。

  但是临界状态是如何维持的呢,要知道绝大部分的裂变反应释放出来的中子是非常迅速的,是在10^-4~10^-3秒内释放出来的,即使K值仅仅超过1一点点,哪怕0.001,在很短时间内指数级增长下功率也会增加很多倍。所幸的是还有比例约0.65%的中子是缓发中子(U235的裂变中),缓发中子是在原子核分裂后延时数秒至数十秒才由碎片原子核释放出来的。正是这0.65%的中子使得我们可以踩在这个k=1的钢丝上面。如果没有缓发中子,那么反应堆中的下一代中子全部为瞬发中子,那么引入极小的扰动,也会使得反应堆功率很短的时间内功率暴增或者彻底熄火。这个可以通过简单的微分方程就可以计算其巨大的差异,如果不存在缓发中子,0.001的扰动就足以使得反应堆在一秒内暴增数万倍功率,而缓发中子的作用使其实际只变化1%,在这种变化率下我们可以有效地进行控制。

  利用缓发中子维持临界水平,是核反应堆区别与核武器的最本质区别,这更类似于在灶台上点燃天然气和天然气泄漏后爆炸的区别。那么当一座核反应堆进入到仅靠瞬发中子就足以维持临界的情况下,功率毫无疑问将会暴增,那么能否引起一次核爆炸呢。

  这方面倒是有个例子,切尔诺贝利核电站4号反应堆就是由于反应堆设计缺陷和运行试验人员的违规操作进入了这种危险的状态(超-瞬发中子临界)而造成失控,反应堆功率暴增,并引发了蒸汽爆炸和化学爆炸,堆芯解体,释放了大量放射性物质进入环境,造成了巨大的财产和生命损失,引发了长期的环境与公共健康问题。

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