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切尔诺贝利(一)

   日期:2019-05-13     浏览:152    评论:0    
         第三位天使吹号,就有烧着的大星,好像火把从天上落下来,落在江河的三分之一和众水的泉源上。

And the third angel sounded, and there fell a great star from heaven, burning as it were a lamp, and it fell upon the third part of the rivers, and upon the fountains of waters.

这星名叫“茵蔯”。众水的三分之一变为茵蔯;因水变苦,就死了许多人。

And the name of the star is called Wormwood: and the third part of the waters became wormwood; and many men died of the waters, because they were made bitter.

------ 《圣经 启示录》8:10-11

中文被称为“茵蔯”,英文被称为 “Wormwood” 的这种东西,在乌克兰语中被叫做 “Chornobyl” ,俄语中叫做 “Chernobyl” 。

音译为“切尔诺贝利”。

切尔诺贝利市,地处于乌克兰北部和白俄罗斯的交界处,面积4平方公里,距离乌克兰首都基辅100公里。历史上曾经多次被波兰、德国、俄罗斯、乌克兰等国争夺,几易其手。1941年,在德军的占领下,它从一个小乡镇升级成为城市,随后在苏联收复失地的过程汇总,这个城市从废墟中被重新建立起来。

1971年,苏联总理阿列克谢・柯西金公布了苏联的“第九个五年计划”。在这一计划中,苏联第一次提出了“要将工业生产增长摆到首要位置上来”。其原因是苏联对西方经济政策的改变:1963年,苏联与法国签署了通商协定,并且之后很快与法国建立了和平发展核能协定;1970年1月到2月,苏联相继与意大利、西德签订了双边贸易协定,增加苏联生产的工业制品出口;1971年3月,苏联与法国签订了铀原料精炼合作协议,10月签署苏联法国共同宣言。

在这样的背景之下,苏联一方面抓紧了在国内的工业基地建设,同时作为工业的支柱产业,能源产业的发展也迎来了大干快上的高峰。自1970年开始,苏联境内陆续开始了比利比诺、克拉、库尔斯克、列宁格勒、切尔诺贝利等多处核电站的建设,装机容量远远超过苏联当时现有的核电机组。

由于“第九个五年计划”的目标是将苏联国内生产总值提高37-40%,再加上与世界核电强国法国的一系列合作贸易协定的签署,因此依靠核电的发展而带动苏联的工业增长,成为了苏联在这一时期的主要发展目标,是顺理成章的。

于是在1970年,在切尔诺贝利市近郊的普里皮亚季,一座以核电站为中心的新城拔地而起。新城市的最初居民,只是负责建设这座国内首屈一指的大型核电站的施工人员和设计人员。随着切尔诺贝利核电站1号机组在1977年9月26日的落成,大量电站运营人员、警备人员也随之迁往此处。之后,2号机组、3号机组也纷纷在1978年12月21日、1981年12月3日完工,实现并网发电。

被寄予厚望的切尔诺贝利4号机组,在1983年12月22日并网发电。

与大多数能源行业的“外行”所想象的不同,核能发电的原理,其实非常简单 —— 如果你知道火力发电的基本原理的话,那么理解起来就更容易了。

简单来说,一套发电机组包括的主要部件分为三部分:1. 锅炉 2. 发电机 3. 冷却循环。

切尔诺贝利(一)

通过在锅炉中燃烧燃料(煤、柴油、天然气等等),释放出的大量热量将锅炉中的水迅速加热成为高温高压的蒸汽,然后蒸汽被导入汽轮机室,推动巨大的风扇状汽轮机转动。而汽轮机又与发电机轴直接相连,因此转动将直接在发电机中产生出电能,被输送走。通过汽轮机后,蒸汽逐渐降温,冷凝成为水,再次被泵入锅炉中,进行循环。这就是简单的火力发电基本原理。

而核能发电,其本质上仍然是这样的“热能发电”形式 —— 利用核反应中释放出的大量能量来加热水,产生高温高压蒸汽。在核能的模式里,“锅炉”就被替换成为了“核反应堆”。

然而,由于核能本身的放射性危险,因此经过了核反应堆的水(蒸汽),本身就携带了放射性能量,是相对危险的。为了应对这一情况,核电技术便出现了分歧:沸水反应堆 和 压水反应堆。

切尔诺贝利(一)

“沸水反应堆 Boiling Water Reator”,其实与基础火电的原理是完全一致的:水被直接通入反应堆中,被加热成高温高压蒸汽,通过汽轮机、冷却循环,再泵回反应堆。由于这些水都含有大量的放射能,一旦泄漏就会造成很大的破坏,因此沸水堆的安全系数相对较低,维修和维护都比较麻烦。然而,由于设计简单,构造简单,所以沸水反应堆的造价低廉,效率也比较高。同时随着技术的进步,沸水堆的安全系数也在不断提高。

日本的福岛第一、第二核电站、浜冈、东海第二核电站、我国在建的龙门第一、第二核电站,其基础都是采用了沸水反应堆。

切尔诺贝利(一)

“压水反应堆 Pressurized Water Reator”的原理,要比沸水反应堆多一个步骤:为了防止含有放射能的水泄露,或是接触汽轮机、循环水,因此在反应堆里设计了一个“蒸汽发生器”。在蒸汽发生器中,核反应堆中产生的高温高压蒸汽(图中黄色),在经过加压之后会通过热交换的形式,把与之隔离开的常规循环水(图中蓝色)加热。而被加热的常规循环水,还是按照火力发电的原理,通往汽轮机、冷凝。

这样一来,在压水堆核电站里进行发电、与外界接触的循环水,便是不带有放射能的“干净”的水,其泄露所带来的风险大大减少。

由于压水堆相对安全,所以在核潜艇、核动力舰船上得到了大量的应用。但由于其设计复杂、设备较多,因此造价较为昂贵。

然而,无论是构造简单的沸水堆,还是泄漏风险较低的压水堆,其本身都不是核电站发生泄漏、爆炸等等事故的根本原因。

在本文中我将向各位介绍的“切尔诺贝利核电站事故”,属于沸水堆;而美国的“三哩岛核泄露事故”,在技术上属于“风险较低”的压水反应堆。

切尔诺贝利4号机组之所以被寄予众望,是因为一旦这台机组落成投产,切尔诺贝利核电站所拥有的4台1000MW的机组,将使其成为世界上最大规模的核电站。其装机容量将达到苏联全国核电站发电量的15%。仅仅是4号机组本身,就可以满足乌克兰共和国的10%以上的电力需求。

然而反观切尔诺贝利4台机组的建设过程,一个“是否赶工”的问题,是很值得我们怀疑的:

切尔诺贝利(一)

对于同样的装机容量来说,2、3号机组的建设周期基本都是2100天左右,而4号机组却缩短为1726天;测试运行的周期是160-180天,但4号机组的测试运行仅进行了100天不到。

针对这种看法,苏联方面在事故发生之后做出的解释是:在4号机组工程的后期,切尔诺贝利核电站的厂长,维克托・布留哈诺夫曾经坚持要让4号机组提前在12月22日完工并网 —— 因为这一天是前苏联的核能产业纪念日。作为献礼工程,4号机组在施工后期不得不进行赶工,在物料短缺的情况下,不得不在施工材料中使用了一些可燃建材。

维克托・佩托维奇・布留哈诺夫,苏共党员,1935年12月1日诞生于苏联乌兹别克斯坦共和国的塔什干。1959年从塔什干技术学院毕业后,他一直在火力发电厂里工作。1966年,他被选为苏共第二十七次全国代表大会的代表,之后就平步青云,1970年至1986年任基辅地区代表,切尔诺贝利区区委成员,切尔诺贝利区代表大会副委员长。于此同时,他也出面担任了切尔诺贝利核电站的厂长。

1978年,他因1号机组成功投产而荣获乌克兰共和国奖章、红色劳动奖章。1983年,他因为2、3号机组的建设完工投产,而获得苏联十月革命勋章。他的妻子瓦伦蒂娜・米哈伊洛夫娜,同样也是一名切尔诺贝利核电站的工程师。

对于电站来说,从建设完工到投入商业运行,期间要完成若干项测试,以确保发电机组在各种极端的运营条件下仍可以保证安全运转。而对于切尔诺贝利4号机组来说,由于厂长做出的“加班加点促生产”的指示,事实上在投入商业运行之前,机组还有若干项压力测试并没有完成。

而这一人为的“刻意疏漏”,却恰好酿成了惨剧的发生。

虽然我知道这部分很难懂,但是为了让有求知欲的各位,在谈到切尔诺贝利事件的时候,不会只是说“爆炸了,着火了,死了好多人”这种结论,所以我还是介绍一下它的结构。

切尔诺贝利(一)

对于看过HBO miniseries《切尔诺贝利》第一集的朋友们来说,相信图上这些词语,你一定在剧里都看到过。

堆芯:由1600根管道组成,每根管道的中心放置着核燃料棒,周围流过冷却水。核燃料每时每刻都在释放着大量的中子,当中子遇到了其他燃料棒上的铀元素后,就会引发原子裂变反应,释放出大量的热能,加热周围的冷却水,形成高温高压蒸汽。

控制棒:总共211根,每根长6.2米,成分是碳化硼。碳化硼可以吸收大量的中子,一旦插入反应堆中,燃料棒所释放的中子就会被控制棒吸走,阻止原子裂变反应的发生。因此控制棒的作用是“插入减缓反应速度”、“拔出加快反应速度”。

水槽:遍布堆芯之中,其高度达到了110米。

石墨减速层:包围在堆芯外部,目的是减缓堆芯向外发射的中子速度,降低并吸收中子辐射。

辐射隔离层:在当时的技术环境下,苏联核电站的技术人员们认为原子反应堆是完全安全的,因此只在堆芯外部建造起了水泥、铅板构成的隔离层,并未对建筑物进行双层、加压隔离。

由于核燃料的巨大放射性,因此在堆芯内部的所有物品,事实上都在时时刻刻接受着大量的辐射。其所蕴含的辐射能量,是人体根本无法承受的。

无论是短时间接触了堆芯内部的各种物料、材质,还是直接暴露于堆芯内部的辐射环境之下,都会让人体出现急性辐射反应,导致死亡。所以对于任何的核电站来说,堆芯都是需要极其谨慎小心地进行维护的。

按照计划,切尔诺贝利4号机组原定于4月25日进行停机点检 —— 发电机组一旦并入输电网,为了防止电网上的供电出现大幅波动,所有的停机活动都必须经过批准后,在固定的时间进行。而由于在商业运行之前,4号机组就没有进行过压力测试,因此电厂管理层决定趁此停机机会,正好可以将压力测试顺便完成。

压力测试的内容是这样的:当发电机组的外部供电被切断时,利用汽轮机的旋转惯性来维持低热功率发电,测试是否可以维持对主循环水泵和堆芯冷却水泵的正常运行。这种测试是在假定一旦天灾、战争等等情况发生的情况下,发电机突然停机,机组是否能够将冷却水注入堆芯以求自保的一项测试。

尽管其他采用同样机组的核电站都以“测试风险过大”为由,否决了这项测试,但也许是为了“争头功”,厂长布留哈诺夫仍然批准这次测试的进行。在现场,他留下了运营主管迪亚特洛夫进行负责。

4月25日凌晨1点06分,4号机组的控制棒缓缓插入,机组从满热功率开始逐渐降低负载。3点47分,机组的热功率降到了50%。从4点13分到中午12点36分,热功率一直维持在50%左右。13点05分,4号机组接入的两台发电机:7号发电机和8号发电机分别完成了振动测定。电站操作人员将7号发电机断网。为了配合之后测试的进行,电站操作人员将紧急堆芯冷却系统(ECCS)也进行了切断。

25日下午14时整,基辅供电管理中心突然给切尔诺贝利核电站打来电话,要求8号发电机持续以50kWe的功率进行供电。不得已,厂房只好将之前计划对4号机组进行的压力测试延期,保持机组的低功率运行,以确保8号发电机可以顺利供电。

25日23点10分,入夜后的城市电力需求开始下降,基辅供电管理中心再次打来电话,同意切尔诺贝利4号机组下线停机。于是电厂的操作人员将控制棒继续插入,持续降低4号机组的裂变反应速度。

4月26日0时05分,4号机组的热功率已经降到了25%左右的720MWt。0时28分,机组热功率降为500MWt。之后在操作人员将控制系统切换到“低功率自动运行模式”时,突然发现反应堆的热功率降低到了30MWt的水平,有彻底停机的风险。(原因后述)

一旦反应堆彻底停止,那么不仅当天的压力测试无法进行,而且在重新启动时,也需要等待至少10小时以上,才可以重启。因此操作人员紧急将控制棒开始拉起,希望能够让反应堆恢复一定的功率,以保证测试的顺利实施。

0点33分,4号机组的功率开始缓慢上升。

1点03分,4号机组的功率恢复到了200MWt的水平,达到了压力测试所需的数值。现场主管迪亚特洛夫通知当班运营人员,测试正式开始。

1点07分,总共8台主循环泵启动。循环水大量涌入燃料棒水槽所导致的降温,使还在水槽中的蒸汽迅速冷凝,管道中的蒸汽量大量减少。而蒸汽量的减少,让蒸汽/水分离器中的水位发生了下降,通往发电机的蒸汽也相应减少。

1点15分,为了维持蒸汽的发生,按照指示操作员 亚历克桑德列・阿基莫夫 和 列奥尼德・托普脱诺夫 将控制棒继续提升,以加快反应堆的裂变速度。

1点19分39秒 - 1点19分44秒,控制台上显示:控制棒已经提升至最高位置。

1点23分04秒,操作员将8号发电机的蒸汽入口关闭,准备利用汽轮机的惯性进行测试。然而,堆芯的功率上升速度远远超过了所有运营人员的预料,14秒后观察人员从控制室中看到,系统检测到堆芯温度上升过快,一些控制棒开始自动落下,于是在1点23分34秒,他们按下了紧急防护系统启动的 AZ-5 按钮,让200余支控制棒一起插入堆芯。

随着控制棒插入堆芯,裂变反应非但没有停止,而是迅速地发生了爆炸。堆芯像是一只从地底深处爬出来的愤怒的巨兽,又或是从天空中坠落的燃烧的大星,向着天空和人世,喷发着致命而炫目的火焰。

这就是《切尔诺贝利》第一集开头的部分:控制室里的所有人都面面相觑,没有人知道到底是什么爆炸了,更不知道是什么引发了爆炸。

那么我来讲讲,为什么切尔诺贝利4号机组发生了爆炸。

在使用铀235作为核燃料的反应堆中,随着裂变反应的发生,会生成碲135同位素。而经过2分钟之后,一半以上的碲135会衰变为碘135和氙135(对,就是氙气大灯的氙)。由于在进行当晚的测试之前,4号机组已经维持了较长时间的低负荷运转,因此在水槽中,已经积聚了相当大量的氙135。

而氙135的特点是,它具有一定程度的吸附中子的能力。在核反应堆中,大量存在的氙135会使燃料棒释放出的中子无法到达其他反应棒,从而减缓反应堆的裂变速度。

当4号机组在1986年4月26日的0点28分,逐步降低功率的途中突然出现了功率迅速降低的情况时,恰好就是反应堆内氙135的浓度达到峰值的时候。本来就已经被控制棒将大量中子吸走的情况下,氙135的增多,便导致了功率的迅速下降。

这种现象被称作“氙补偿效应 Xenon Override”,可惜的是那时的核电站工作人员,并不知道这种现象的存在。

而当1点23分04秒的压力测试开始后,氙135的浓度开始下降,此时核反应堆的威力才真正开始逐渐显露。由于水槽中的蒸汽量很少,所以燃料棒所释放出的大量的热能并没能及时被水蒸气所吸收,而是在不断进行自我加温 —— 如果你看到过干烧的“热得快”,就大概是那个样子。

操作员们发现苗头不对,拍下了“AZ-5”按键的时候,200余支控制棒一齐下落。而在切尔诺贝利4号机组上所使用的控制棒,它的结构是这样的:

切尔诺贝利(一)

从上方落下的控制棒,头部的阻水棒(灰色),首先会将管道中的水挤出管道,之后再由后部黑色的吸收棒插入反应堆中,吸收中子。然而这一设计的特点是,石墨制阻水棒的中子吸附效果,其实是远远差于水的。所以在控制棒的头部刚刚进入堆芯的时候,水被从管道中排出,而进入的阻水棒却不能阻止裂变反应的进行。

这样的控制棒,在以往常规操作中,由于几乎不用“整根拿出”,更不用“200余根一齐下落”,所以石墨阻水棒对于反应堆的整体影响,其实是微乎其微的。但是,在眼下的这个环境里,200余根控制棒一齐插入堆芯,无异于在一瞬间给了堆芯中的中子更自由的活动机会。

于是,就是在这一瞬间,切尔诺贝利核电站,开始变成人间炼狱。

 
 
 
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