谨转此文给那些自认为核工程简单得像个发动机一样的003核党小白_风闻

上次转瀚海狼山三篇妙文讨论003，讨论到船舶核动力的时候，发现有键盘侠已经超越了小白，认为核堆的研发流程简单得一比，要什么复杂的资质认证？特转此文，供大家咂摸味道～一失足成千古恨——苏联RBMK系列反应堆及切尔诺贝利核事故

自从费米在芝加哥大学采用石墨砖制造了世界第一台反应堆以后，各国第一代的核反应堆都是以石墨为减速剂建设的，其中，英美主要的是石墨气冷堆技术，主要以生产钚为目的，发电为次要目的（见上一篇专栏）;而苏联则进一步发展了石墨堆，创造了石墨水冷沸水堆这个形态，在1954年首先在奥布宁斯克使用该技术建立了一座5MW的商业发电的核能发电站，创造了核电技术进入应用的开端。1970年，随着列宁格勒核电厂的并网发电，一种堪称石墨液冷堆的极致的“先进大功率压力管水冷石墨反应堆”（RBMK）出现了。相比于气冷石墨堆，苏联的液冷石墨堆最大的不同点就是它使用轻水代替了二氧化碳气流作为冷却剂，同时冷却水也能够进一步减速中子（这成了切尔诺贝利事故的祸根之一）。在整体布局上，RBMK用石墨搭建了一个巨大的“蜂窝煤”结构，在蜂窝煤中，交替安装燃料棒，控制棒和冷却水管，中心放置启动中子源。

在工作时，启动中子源释放中子启动第一次链式反应，释放的快中子通过石墨和冷却水进行减速，在下一级燃料棒再次产生核裂变，从而源源不断产生热能。由于石墨是耐高温的热良导体，热能通过石墨框架加热水管的水，由于反应堆温度很高，因此水被加热到沸点，沸水再通过泵进入汽水分离器，在那里汽化成蒸汽，推动汽轮机发电。由于该反应堆没有热交换器，所以属于沸水堆，但正常模式下水在进入汽水分离器之前会在压力管内保持液态，所以他和福岛核事故的单纯沸水堆并不是一样的。

石墨堆有很多好处。由于石墨堆中子减速效率高，和重水堆类似，它很容易把中子能量控制到铀235最容易进行核裂变的等级，因此它需要的铀浓缩程度很低，理论上只需要天然铀的浓度，不过实际上经常使用2%左右的低浓度浓缩铀，低于轻水堆的3%。所以使用该堆能够节约铀浓缩成本。

除此之外，石墨堆和上一期的重水堆还共有容易生产钚239，其他同位素，可不关机更换燃料棒等优势，但由于石墨成本比重水便宜很多，因此建设石墨堆非常符合苏联的经济环境，在1970之后苏联开工新建的核反应堆中，一多半都是RBMK式反应堆。

但石墨堆有很多严重的安全隐患，最终一连串连锁反应导致切尔诺贝利的灾难爆发。

第一，由于石墨是热的良导体，比热容比水少很多，因此落下控制棒停堆后，石墨体本身会很快冷却。由于苏联紧急柴油发电机启动后需要40秒热车达到稳定供电功率，在反应堆关闭后有几十秒无法切换到备用电源，因此需要反应堆有足够的存热保持汽轮机不至于立即停转。对于压水堆，沸水堆来说这并不困难，因为几百吨高温冷却水（液态水的比热容是常见物质最大的）有足够热量维持汽轮机继续运转1分钟，但石墨（比热容是水六分之一）就不行了。所以切尔诺贝利发生爆炸的直接原因，就是事发时正在做高风险紧急停堆实验。

第二，石墨堆同位素生成量比较大，有时候调节不当会产生很多中子毒物（指核反应中出现的某些裂变产物，大量吸收中子，导致反应堆中子利用率下降），切尔诺贝利前一夜就发生了中子毒物堆积的问题。根据记录：因蒸气涡轮后备供电测试计划，反应堆于午夜后的夜班由白天的1600MW半功率逐步降低至700MW功率，在当时的操作条件下未及反应的氙135累积发生反应堆毒化，反应堆功率未能稳定在700MW，而是跌落至30MW。值班主任阿基莫夫正确判断出反应堆毒化，建议停机，等待24小时待氙135经反应消耗后再逐渐提升反应堆功率；但代理总工程师迪亚特洛夫担心为影响到日常运行及测试工作负责，以开除两人要挟，执意要迅速恢复反应堆至计划所定的700MW。在压力下值班主任阿基莫夫和操作员托普图诺夫解除了一系列安全措施，试图尽快恢复反应堆功率，渐次将211支控制棒中的205支完全拔出，使反应堆处于功率失控的危险状态；仅因反应堆毒化，反应堆功率的上升滞后，暂时停留在200MW。待反应堆于200MW下燃掉积累的氙135重新激活后，1:23:35仅受6支控制棒束缚的反应堆功率急剧上升。5秒后，1:23:40值班主任阿基莫夫按下紧急停机钮AZ-5，控制棒立即回插，但为低功率拔出时稳定反应堆而作了负反馈优化的控制棒，在高功率从零插入时短时间内反之带来正反馈作用，7秒后，1:23:47反应堆功率骤然升至33000MW，超出设计最大功率的10倍，引发蒸汽爆炸，带来严重后果。由此可见，石墨堆嬗变产物复杂的问题，直接导致反应堆功率控制变得更加困难。

第三，RBMK的冷却水直接通过石墨堆核心，这会导致它也会减速中子，正常需要把他计算在中子减速剂之内。但是由于RBMK是一款沸水堆，在温度很高时（如切尔诺贝利当天）压力管内的冷却水也会迅速气化，此时水蒸气气泡产生了冷却剂空泡效应，使得反应堆中子通量更大，更加加剧反应速度。而传统压水堆，沸水堆在产生气泡时，会导致中子能级提升到不易发生核裂变的水平，反而降低了反应速度。在切尔诺贝利之后，苏联提升了铀浓缩浓度，提升了正常工作中子能级，这样发生气泡后就可以让中子脱离易裂变能级，降低功率。

第四，由于反应堆低功率时产生中子毒物可能性高，因此启动反应堆时应当尽快提升功率，所以苏联修改了控制棒的结构，控制棒最下层是石墨，中间是镉，这样在启动拔出控制棒时，中子吸收剂（镉）拔出后，石墨会第一时刻贴到燃料棒上，从而快速提升功率跨过中子毒物产生功率。但要命的是，这个棒在插进去时成了石墨先接触燃料棒，反而插进去瞬间会突然加速反应，因此切尔诺贝利爆炸时插进控制棒不但没刹车，反而猛地踩了一脚油门，引发功率过高立即爆炸。

由于这些设计中未排除的设计缺陷，加上事发时操作人员忽略了核反应堆操作的“绝对安全”原则，最终造成了世界上无可挽回的切尔诺贝利核事故，在那之后，苏联终止了一切新建RBMK反应堆，既有的反应堆也会在最近十年达到50年极限寿命时被安全性高的VVER压水堆替换。这件事生动告诉我们一个教训：一切的技术开发，不能以牺牲安全作为代价。

文章来源：B站冰封之龙专栏文章