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着火点远离反应堆
首先,外媒报道的因冲突而发生的扎波罗热核电站火灾,实际上是核电站内部办公楼起火。就是下图中那座冒着黑烟的办公楼。
国际原子能机构(IAEA)在新闻发布会上介绍了扎波罗热核电站的具体情况,并附有俯视图。从冒着烟的行政办公楼很远就能看到六座反应堆,因此据说核电站是安全的。
即使假设反应堆装置出现问题,其功率也不会达到切尔诺贝利的水平,更不用说提高10倍了。因为核电站的6个反应堆都是压水堆,反应堆内的放射性物质较少。
核能
核电站的本质是“燃烧水”产生蒸汽来驱动汽轮机旋转,进而带动发电机旋转发电。不同的是,火电厂利用煤来烧水,而核电厂则利用核裂变产生的核能来加热水。
一般来说,核电站使用自然界最重元素铀(235)原子作为原材料。因为铀原子核不稳定,当我们用中子轰击它时,铀原子核会分裂成两个新的原子核和中子。关键是反应后产生的物质的质量总和小于轰击前的铀原子核。 “消失”的质量将以能量的形式释放出来,这就是“核能”。
这个能量有多大?爱因斯坦的质能方程告诉我们,损失是质量 (m) 乘以光速 (c) 的平方。光速是一个非常大的值,它的平方就更大了。因此,投在广岛的原子弹在铀235裂变后只损失了约1克质量,却爆炸成令人震惊的蘑菇云。
我们再举一个例子。 2020年上海用电量接近1600亿千瓦时。完全用煤发电需要2750万吨,而用铀燃料发电只需要234吨,差距超过10万倍。
连锁反应
核能威力如此之大,必须谨慎使用。对于火力发电站来说,除了煤炭之外,还需要不断地向炉内通入空气(氧气)来继续燃烧。核电站的反应堆需要中子,不能太多也不能太少。
如果链式反应时中子过多,中子就会越来越多,导致最终反应极其剧烈,引起爆炸。太少了,反应太弱,无法继续连锁反应,而且可能会“熄灭”。
为此,反应堆中插入了大量强烈吸收中子的控制棒。通过移动控制棒,控制中子的数量,从而灵活控制核裂变反应的程度,也控制反应堆的输出功率。
(切尔诺贝利核电站石墨水冷反应堆)
另外,铀原子的内部实际上是非常空的,原子核的尺寸也非常小。如果将铀原子比作一个足球场,那么原子核甚至还没有足球那么大。因此,需要在反应堆中添加慢化剂(moderator)来减缓中子的运动,从而增加“相遇”的概率,从而提高裂变效率。
根据反应堆类型的不同,慢化剂分为水、石墨等。此外还需要冷却剂,冷却剂是核能加热的物质,通常是水。
巨大的差异
切尔诺贝利核电站是石墨沸水堆,慢化剂是易燃石墨,冷却剂是水。
扎波罗热核电站是压水堆,慢化剂和冷却剂都是水。
(扎波罗热核电站反应堆、切尔诺贝利核电站反应堆)
石墨沸水反应堆
1986年切尔诺贝利核电站爆炸时,反应堆中的石墨燃烧了10天才化为灰烬。它产生的放射性烟雾冲入大气并蔓延到整个欧洲。
从结构上来说,切尔诺贝利唯一的防护措施就是燃料棒上包裹着铀的锆合金外壳。当时,核电站的一系列错误操作导致反应堆功率在4秒内增加到锆合金所能承受极限的100倍。锆合金瞬间熔化,冷却水瞬间汽化,气体体积迅速膨胀,随后发生爆炸。
另外,切尔诺贝利核电站的反应堆是半封闭的,上面有弱屏蔽砖。爆炸波以砖块为通风口,直接将屋顶掀翻,暴露出大量放射性物质。
压水反应堆
扎波罗热核电站压水堆采用双回路结构。
主回路位于反应堆内部,是一个高压环境。水即使加热到300度也不会沸腾,因此得名“压水堆”。水通过产生核能的压力容器吸收热量,然后沿着封闭的管道经过二回路的蒸汽发生器,将热量传递给二回路的水。两个回路之间只有能量交换,没有物质交换。因此,只有第一回路中的水具有放射性。
切尔诺贝利是一个单一的电路。无论是石墨,石墨产生的浓烟,还是冷却水、水蒸气,都是和反应堆里的放射性物质接触的,都是有放射性的,包括这些东西接触到的任何东西,所以灾难发生之后,它只能用石棺来密封。
铜墙铁壁,三道防线
如果扎波罗热核电站发生与切尔诺贝利相同的情况,会发生什么?
首先,燃料棒的第一道防线保护层崩溃,放射性物质将被封闭在压力容器和一次回路中。该压力容器采用特殊不锈钢材料,壁厚可达20厘米,能承受地震等现象造成的巨大破坏力,并能在一定程度上承受动力冲击。
假设第二道防线也失去了,全封闭的重型混凝土安全壳也可以容纳放射性物质。伦敦帝国理工学院的马克·温曼博士表示:
安全壳可以承受极端的外部事件,包括自然和人为事件,例如飞机失事或爆炸。
这样设计的目的是为了抵御自然灾害和大爆炸。其防御能力与已淘汰的石墨废水堆不是一个水平。国际原子能机构专家表示:根据现场发现的炮弹类型,它不太可能突破收容。
总之:
虽然核爆炸威力很大,但扎波罗热核电站反应堆采用双回路结构,密封性较好。反应堆堆芯不含助燃石墨,更安全。它还比切尔诺贝利多了两道“铜墙铁壁”,因此爆炸威力和核泄漏都会比切尔诺贝利小,而不是乌克兰外交官所说的10倍。