切尔诺贝利反应堆是以铀-235为原料的RBMK类型反应堆

来源：中科院高能所

1986年4月26日，历史上的今天，世界上最严重的核事故在切尔诺贝利核电站发生。

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

▲ 事故前的普里皮亚季市

切尔诺贝利反应堆是以铀-235为原料的RBMK类型反应堆，是普里皮亚季市主要的供电来源。核反应堆是一种能以可控方式产生自持链式裂变反应的装置。链式核反应（nuclear chain reaction）就是由中子撞击原子核引起原子核裂变，裂变的过程中释放能量，同时又会产生新的中子，新产生的中子引起新的原子核裂变，裂变反应连续不断地进行，同时不断产生新能量的过程。

▲ 铀-235的裂变  

在核裂变产物中，氙-135的热中子吸收截面很大，担当着重要的作用。铀-235经过裂变可生成氙-135，其中氙-135吸收一个中子又会变成氙-136。

当时切尔诺贝利共有4台1000兆瓦（MW）的RBMK反应堆在运行，在附近还有两座反应堆正在建造。RBMK反应堆本质上是个大型热水器。

▲ RBMK堆芯简图

▲ 这是控制棒结构，绿色部分为硼，对中子有强吸收作用，紫色部分为石墨，可以慢化中子，使中子更易被俘获。

▲地面上是反应堆的端盖，端盖上的柱体就是插入的控制棒

RBMK反应堆具有以下特点：

① RBMK反应堆具有正空泡系数。即冷却水会被加热变为水蒸气，吸收中子能力减弱，核反应速率提升，温度更高，产生更多水蒸气。

② 反应堆具有负温度系数，随着温度的不断上升，反应的速率会有所降低。

③ 反应堆体积巨大，氙-135引起的不稳定因素使得该堆的控制变得很复杂； 

④ 很低的控制棒插入速度（0.4m/s）使得紧急停堆系统难以跟踪快速瞬变，为此，运行规则要求堆内始终有一定数量（30根）的控制棒插入到一定深度，堆内低于15根控制棒时应立刻停堆；

⑤ 该核电站没有安全壳。

与一般的热水器不同的是，切尔诺贝利使用的是一种非常强大的能源-核能。在纪录片《抢救切尔诺贝利》中，戈尔巴乔夫表示：“我们得到的讯息都说一切正常，包括反应炉也是。我询问亚历山卓夫院士，他告诉我反应炉绝对安全，甚至可以装置在红场。过程和煮茶没两样，就像在红场摆个茶壶一样。”

▲ 图为戈尔巴乔夫    

可一个安全的热水器为何会爆炸呢？

据资料显示，爆炸前切尔诺贝利正在准备它的第四次惰性测试。惰性测试是为了检测在断电的情况下核电站能否依靠汽轮机自身的惯性来维持水泵的供水，直至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从3200MW降至1600MW，在他们准备进一步降低至实验所需的700MW时，基辅电网官员表示为了保证用电高峰的供电需求，核电站的输出功率不能进一步降低了，测试被推迟了10个小时。

RBMK反应堆制约关系

在RBMK核反应堆中，存在一个相互制约的关系，核反应提升反应速率，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，一种微妙的平衡。

事故演变

1、首先将反应堆功率从3200MW降低至1600MW，并准备继续降低至测试要求的700MW。

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。在这10个小时里反应堆以半功率1600MW运行。此时第一个反应平衡点被打破，半功率下反应堆无法产生足够的中子来抵消氙-135的影响，氙-135与中子的平衡被打破，氙-135越积累越多，无法得到有效的中和，反应的天平开始向速率降低倾斜。

3、开始测试，继续降低反应功率，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大获全胜，反应速率骤降至500MW左右。

4、操作人员为获得更多控制权，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，至30MW，此时反应堆已被氙-135毒化，正确操作应为停止测试，在24小时之内慢慢提高功率，但是操作人员仍坚持继续测试。

5、30MW情况下，氙-135依旧在产生，但是得不到中和，反应速率过慢以至于温度太低，无法产生水蒸气。此时反应功率增加方几乎全军覆没。而反应功率降低方，控制棒深入，水无法变为水蒸气，氙-135无法被中和，反应天平彻底垮塌。

6、为了提高反应功率，操作员开始抽出控制棒，据资料显示最终操作员抽出了几乎所有的控制棒，仅留下6-8根在反应堆中，严重违反了RBMK反应堆运行要求，此时反应堆由于温度太低，负温度系数不起作用，反应速率降低阵营损失两元大将，只有水和氙-135在继续战斗。

7、虽然控制棒被几乎全部抽出，功率依旧只有200MW左右，操作人员决定开始测试，水泵停止输水，此时反应功率增加方开始了绝地反击。没有了控制棒和冷却水的两大封印，反应堆核心火力全开，反应堆功率激增。

8、反应功率激增导致温度瞬间升高，残余的水开始变化为水蒸气，水蒸气重新加入了战斗，然而没有新补充的水，此时反应速率降低阵营只有最有一名战士，氙-135，氙-135被新产生的中子转化为氙-136，现在轮到反应速率降低阵营全军覆没了。

9、反应堆几乎不再受任何束缚，展现了他真实的力量，输出功率激增。

10、操作员摁下AZ-5（紧急停止），控制棒全部插回，但是控制棒的尖端，是石墨，石墨并不能减低反应速率，而是增加。

11。 反应速率由于石墨的加入而激增，剩余水瞬间全部转化为水蒸气，蒸汽压力突然增大使管道发生了形变，控制棒无法继续插入，此时的控制棒不仅不能降低反应功率，反而使反应功率继续增大，控制棒叛变了，此时一切已经不可阻止。

12。 反应堆爆炸，最后读数为33000MW，是额定功率的十倍还要多。

13。 还没有结束，反应堆盖子被炸开，氧气涌入，为这场悲剧画上了最后的句号，氧气与过热的石墨结合，引发了第二次更为剧烈的爆炸。

▲ 这是历史上第一张事故照片（图片非常模糊是因为辐射破坏了相机的胶卷）

▲ 消防员在扑灭三号机组周围的火

▲ 飞行员在投放混有硼酸的沙子给反应堆灭火

▲ 在辐射极高地区尝试使用机器人来进行清理，但是机器人的电路并不能承受如此高强度的辐射

▲ 清理反应堆屋顶的石墨，每人只能工作40-60秒

▲ 意外发生后，马上有203人立即被送往医院治疗，其中31人死亡，当中有28人死于过量的辐射。死亡的人大部分是消防队员和救护员，2005年9月，联合国、国际原子能机构、世界卫生组织、联合国开发计划署、乌克兰和白俄罗斯政府以及切尔诺贝利论坛等其他联合国团体，一起合作完成了一份关于核事故的总体报告。报告指出事件死亡人数可达4000人，包括了死于核辐射的47名救灾人员，和九名死于甲状腺癌症的儿童。

▲ 受辐射污染的汽车停放在了城市的边缘

▲ 事故发生后，135，000人撤离了家园，其中约有50，000人是居住在切尔诺贝利附近的普里皮亚季市居民。

▲ 切尔诺贝利地区进行了大规模的清理行动，涉及成千上万的人。

▲ 清理受污染的土壤

▲ 游泳池依旧开放，为清理的工作人员缓解压力

　　▲ 虽然无法对事故与严格空气爆裂的核爆炸进行比较，但人们仍估计，从切尔诺贝利释放的放射性物质比广岛和长崎原子弹爆炸释放的放射性物质多400倍。约10万平方公里的土地受到沉降物的严重污染，受灾最严重的地区是白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯。除伊比利亚半岛外，整个欧洲都检测到过更轻微的污染水平。

▲ 使用了40多万立方米的混凝土和7300吨钢材，建造了一个巨型石棺，将4号机组从此封印了起来，1986年11月底完成

▲ 1997年，一项由46个国家和组织资助的替代计划---新安全禁闭（NSC）开始实施，耗资15亿美元（约合110亿人民币），为切尔诺贝利4号机组建造新的石棺，2011年建成。