切尔诺贝利反应堆限制关系(切尔诺贝利反应堆类型)

资料来源：中科院高能所

1986年4月26日，世界上最严重的核事故发生在切尔诺贝利核电站。

切尔诺贝利核电厂位于乌克兰首府基辅市北部130km，距普里皮亚季市3km，与切尔诺贝利相距18km。

▲ 事故发生前的普里皮亚季市

切尔诺贝利反应堆以铀-235为原料RBMK普里皮亚季市的主要供电来源是类型反应堆。核反应堆是一种可控的自持链裂变反应装置。链式核反应（nuclear chain reaction）它是由中子撞击原子核引起的原子核裂变，在裂变过程中释放能量，同时产生新的中子，新的中子引起新的原子核裂变，裂变反应不断进行，同时产生新能量。

▲ 铀-235的裂变

氙-135热中子在核裂变产核裂变产物中起着重要作用。铀-235可以通过裂变产生氙-135，其中氙-135可以吸收另一个氙-136。

当时，切尔诺贝利共有4台1000兆瓦（MW）的RBMK反应堆正在运行，附近正在建造两个反应堆。RBMK反应堆本质上是一种大型热水器。

▲ RBMK堆芯简图

▲ 这是控制棒结构。绿色部分是硼，对中子有很强的吸收作用。紫色部分是石墨，可以慢化中子，使中子更容易被捕获。

▲地面是反应堆的端盖，端盖上的柱体是插入控制棒

RBMK反应堆具有以下特点：

①RBMK反应堆具有正气泡系数。也就是说，冷却水会被加热成水蒸气，减弱吸收中子的能力，提高核反应速率，提高温度，产生更多的水蒸气。

②反应堆具有负温度系数，随着温度的升高，反应速率会降低。

③氙-135引起的不稳定因素使反应堆的控制变得非常复杂；

④很低的控制棒插入速度（0.4m/s）紧急停堆系统难以跟踪快速瞬变。因此，操作规则要求堆内总有一定数量的控制棒插入一定深度，堆内少于15根控制棒时应立即停堆；

⑤ 核电站没有安全壳。

与普通热水器不同，切尔诺贝利使用了一种非常强大的能源核能。戈尔巴乔夫在纪录片《抢救切尔诺贝利》中说：“我们得到的信息都是正常的，包括反应炉。我问亚历山卓夫院士，他告诉我反应炉绝对安全，甚至可以安装在红场。这个过程和煮茶没什么区别，就像在红场放茶壶一样。”

▲ 图为戈尔巴乔夫

可一个安全的热水器为何会爆炸呢？

切尔诺贝利正在为爆炸前的第四次惰性测试做准备。惰性试验是检测核电站能否依靠汽轮机本身的惯性来维持水泵供水，直到备用发电机完全启动。4月25日，切尔诺贝利反应堆反应功率为3200MW降至1600MW，在他们准备进一步降低至实验所需的700MW基辅电网官员表示，为了保证用电高峰的供电需求，核电站的输出功率无法进一步降低，测试被推迟10小时。

RBMK反应堆限制关系

在RBMK在核反应堆中，相互限制的关系。核反应提高反应速率，控制棒和水抑制反应速率，水蒸气增加反应速率，负温度系数抑制反应速率，是一种微妙的平衡。

事故演变

1.反应堆功率从32000开始MW降低至1600MW，并准备继续将700降低到测试要求MW。

2、基辅电网官员告诉他们为满足用电高峰需求，测试时间需推迟了10个小时。反应堆半功率1600MW运行。此时，第一个反应平衡点被打破，在半功率下，反应堆不能产生足够的中子来抵消氙-135的影响。氙-135和中子之间的平衡被打破。氙-135积累越多，无法有效中和，反应平衡开始降低速度。

3.开始测试，继续降低反应功率，将控制棒插入更深，氙-135越来越多，中子越来越少。最后，反应速率降低，阵营获胜，反应速率急剧下降到500MW左右。

4.为了获得更多的控制权，操作人员关闭自动控制系统，控制棒不再自我调节，反应速率进一步降低到30MW，此时，反应堆已被氙-135毒化，正确操作应停止测试，并在24小时内缓慢提高功率，但操作人员仍坚持继续测试。

5、30MW在这种情况下，氙-135仍在产生，但不能中和，反应速率太慢，温度太低，无法产生水蒸气。此时，反应功率增加器几乎被摧毁。反应功率降低，控制棒深，水不能变成水蒸气，氙-135不能中和，反应平衡完全崩溃。

6.为了提高反应功率，操作员开始拔出控制棒。根据数据，操作员最终拔出了几乎所有的控制棒，只在反应堆中留下6-8根，严重违反RBMK反应堆应堆的运行要求，此时由于反应堆温度过低，负温度系数不起作用，反应速率降低了营地损失，只有水和氙-135继续战斗。

7.虽然控制棒几乎全部拔出，但功率仍然只有200MW左右，操作人员决定开始测试，泵停止输水，反应功率增加开始绝地反击。没有控制棒和冷却水的两个密封，反应堆的核心火力完全打开，反应堆的功率激增。

8.反应功率的激增导致温度瞬间升高，残留的水开始变成水蒸气，水蒸气再次加入战斗。然而，没有新的补充水。此时，只有最多的士兵降低了反应速率。氙-135和氙-135被新生产的中子转化为氙-136。现在轮到反应速率降低了。

9.反应堆几乎不再受任何约束，显示的真实力量，输出功率激增。

操作员按下AZ-5(紧急停止)，控制棒全部插回，但控制棒的尖端是石墨，不能降低反应速率，而是增加。

11。 由于石墨的加入，反应速率急剧增加，剩余的水瞬间转化为水蒸气。蒸汽压力的突然增加使管道变形，控制棒无法继续插入。此时，控制棒不仅不能降低反应功率，还能继续增加反应功率。控制棒叛变了。此时，一切都是不可阻挡的。

12。 反应堆爆炸的最终读数是3.3万MW，额定功率的十倍以上。

13。 还没结束，反应堆盖被炸开，氧气涌入，为悲剧画上了最后的句号。氧气和过热的石墨的结合导致了第二次更剧烈的爆炸。

▲ 这是历史上第一张事故照片(照片非常模糊，因为辐射破坏了相机的胶卷)

▲ 消防队员正在扑灭3号机组周围的火灾

▲ 飞行员将混合硼酸的沙子放入反应堆中灭火

▲ 尽量在辐射极高的地区使用机器人进行清洁，但机器人的电路无法承受如此高强度的辐射

▲ 每理反应堆屋顶的石墨，每人只能工作40-60秒

▲事故发生后，203人立即被送往医院治疗，其中31人死亡，其中28人死于过度辐射。2005年9月，联合国、国际原子能机构、世界卫生组织、联合国发展计划署、乌克兰、白俄罗斯政府、切尔诺贝利论坛等联合国团体共同完成了核事故总体报告。报告指出，死亡人数可达4000人，包括47名死于核辐射的救灾人员和9名死于甲状腺癌的儿童。

▲ 被辐射污染的汽车停在城市的边缘

▲ 事故发生后，1.35万人撤离家园，其中约5万人是普里皮亚季居民，他们住在切尔诺贝利附近。

▲ 切尔诺贝利地区尔诺贝利地区进行了大规模清理。

▲ 清理受污染的土壤

▲ 游泳池仍然开放，以缓解清洁人员的压力

▲虽然无法将事故与严格的空气爆炸核爆炸进行比较，但人们仍然估计切尔诺贝利释放的放射性物质是广岛和长崎原子弹爆炸释放的400倍。约10万平方公里的土地被沉降物严重污染，最严重的地区是白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯。除了伊比利亚半岛，整个欧洲都发现了更轻微的污染水平。

▲1986年11月底，使用了40多万立方米的混凝土和7300吨钢材，建造了一个巨大的石棺，密封了4号机组。

▲ 1997年，由46个国家和组织资助的替代计划——新安全禁闭（NSC）2011年建成切尔诺贝利4号机组新石棺，耗资15亿美元(约110亿人民币)。