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    硼、沙子、切尔诺贝利

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      Lv.5伽马射线
      十月你好
      硼、沙子、切尔诺贝利

      迷你剧“切尔诺贝利”截图,图片显示的是直升机向堆芯倾倒沙子和硼的画面。

      Credit:HBO

      在2019年小A君无意间了解到一个HBO的高分剧《切尔诺贝利》,本着求知的原则小A君就去看了一下……看后不得不说从剧情(即使我们已经知道了结果,但剧情仍然觉得很震撼)、拍摄到音效,都是教科书式的制作,看的过程中甚至能感受到那种压抑、悲哀的感觉,很大程度上还原了当时所发生的事件,有兴趣的可以去看一下。PS:剧中有西方政治暗示,请理性观看。

      硼、沙子、切尔诺贝利

      图片显示了这次爆炸产生了多大的影响,4号反应堆(图片中心)和汽轮机房(图片左下角)受到了非常严重的破坏。

      Credit:wikizero


      回到正题,1986年的切尔诺贝利核事故相信大家有所了解,这是人类历史上最严重的核灾难。这次灾难所释放出的辐射剂量是二战时期爆炸于广岛的原子弹的400倍以上。联合国各机构2005年发布的一份报告估计,最终可能有4000人死于切尔诺贝利的辐射。国际绿色和平组织(Greenpeace International)在2006年估计,乌克兰、俄罗斯和白俄罗斯的死亡人数可能高达9.3万人,而在这些国家中,约有27万人是因为辐射而患上癌症。

      硼、沙子、切尔诺贝利

      这张照片是1986年5月3日从一架直升机上拍摄的堆芯鸟瞰图,照片上是被摧毁的4号反应堆。烟雾是由石墨燃烧和堆芯熔化而产生的。

      Credit:wikizero


      在第二集中Legasov(列加索夫)提出向反应堆中倾倒硼与沙子。硼可以吸收中子,减慢链式反应的速度,而沙子则是为了隔绝空气灭火。那么为什么科学家们的第一反应是使用沙子和硼?如果类似的核灾难发生在2020年,他们还会这样做吗?

      硼、沙子、切尔诺贝利

      链式反应示意图。①U-235原子吸收中子,裂变成两个较小的新原子,释放三个中子及结合能。 ②其中一个中子被U-238吸收,不会继续链式反应,另一个中子没有碰撞到其他的原子,最后一个中子碰撞到另一个U-235的原子核,释放二个中子,继续链式反应。③这二个中子都碰撞到U-235的原子核,分别释放1至3个中子,因此继续链式反应。

      Credit:knowpia


      如果正在燃烧的堆芯暴露在外将会产生什么影响?核反应堆工程师、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授凯瑟琳·赫夫(Kathryn Huff)表示:“将燃烧的堆芯暴露在空气中至少要面临两个层面的问题。”

      第一个问题是持续的核裂变反应。在裂变时铀会释放中子,而中子会撞击其他铀原子并使其再分裂释放更多的中子,所有的铀原子会释放越来越多的能量。因为这种反应不再被控制,所以会放出令人难以置信的辐射水平,对任何试图接近反应堆的人构成致命的危险。

       

      第二个问题——也是更严重的问题,大火将大量的烟雾和灰尘碎片释放到空中,绝大部分的爆炸产物来自于核反应堆,其中一些物质实际上是直接来源于堆芯。这包括铀原子分裂时形成的放射性元素以及同位素。

      硼、沙子、切尔诺贝利

      “切尔诺贝利”截图,在剧中医院之前并没有准备碘片。

      Credit:HBO


      赫夫说:“而这是事故中最危险的部分,其中一些同位素对人类会造成伤害,其放射性比在日常生活中遇到的更强。而还有一些物质,除了放射性很强以外,在环境中的流动性也很强。在这种情况下,流动性意味着这些同位素可以进入生物的身体,造成严重的问题。以碘-131为例,它是碘的一种放射性同位素,与普通碘一样,活细胞也会吸收碘-131。”

       

      像切尔诺贝利这样的烟尘中含有大量的碘-131,它们可以漂移上千公里,最终进入河流,落入土壤,或者被植物、动物和人类直接吸收。我们的甲状腺依赖碘,它会像普通碘一样吸收碘-131,在我们体内形成长期的严重的辐射源。(这就是为什么在核灾难发生后,受影响地区的人们应该服用碘片,通过过量摄入无放射性的碘,提高甲状腺的含碘量,以降低甲状腺对外部放射性碘同位素的摄入。当然这东西平常不能乱吃,不然有可能甲状腺会出现例如甲亢之类的问题。)

      沙子和硼

      那么科学家第一反应是倾倒沙子和硼就可以理解了(实际上倾倒在切尔诺贝利的混合物还包括粘土和铅),他们是为了尽量解决第一和第二个问题。而沙子可以隔绝空气灭火,而硼理论上可以减慢或抑制核反应的速率。

      硼、沙子、切尔诺贝利

      图中为从堆芯中喷射出来的石墨慢化剂块。最大的石墨块显示了一个完整的控制棒通道。石墨是切尔诺贝利反应堆的核心物质,具有极高的放射性。

      Credit:wikizero


      赫夫说:“在核反应堆中,有使反应加速的同位素,也有使反应减缓的同位素。”她解释说:“要让核链式反应进行下去,你需要让足够多的放射性同位素紧密地结合在一起,这样它们就能释放大量的中子,从而撞击其他原子核,使它们分裂。而有的位素与中子相互作用时,由于其原子核的结构,它有有一定的可能会吸收中子,例如U-235,有吸收中子然后立即分裂的倾向。但是硼不仅中子吸收截面高,而且吸收中子的能量范围较宽,所以硼更倾向于吸收中子。因此,理论上说,如果向暴露在外的4号反应堆堆芯投入足够多的硼(或者硼化物),它就会吸收大量快速游离的中子,从而使反应减缓或停止。”

      硼、沙子、切尔诺贝利

      剧中正在抛洒沙子和硼的1号机组因为离反应堆太近,巨大的辐射使飞机电子元器件故障(机组人员也可能因瞬间的强辐射而受影响),致使1号机组不幸坠毁。

      Credit:HBO


      但是,尽管有巨大的牺牲,将硼和其他中子吸收剂倾倒到反应堆上并没有明显奏效,部分原因是直升机倾倒的方式无法将中子吸收剂倾倒到堆芯中。这不是危言耸听,英国广播公司(BBC)在1997年的报道中提到:“强烈的辐射杀死了几名飞行员,现在我们知道,尽管做出了这些牺牲,但到达堆芯的中子吸收剂少之又少。”

       

      不过赫夫说:“他们使用的原理,即用中子吸收剂来阻止反应,包括减少空气中的污染放射源是合理的。在今天发生类似灾难的情况下,响应团队仍将采用基于相同基础理论的方法。不过现在与以前最大的不同之处在于,现代核电站在建造之初,就已经被设计成能够自行完成大量的工作,现代反应堆的安全性大大提高,对突发问题的准备也大大提升,但它们在应急手册中仍然使用硼。”

       

      赫夫补充道:“美国(和其他相当先进的)的核反应堆比切尔诺贝利核电站遭遇灾难的可能性要小得多,现代反应堆配备了化学喷雾剂,可以覆盖整个反应堆建筑,在放射性同位素逸出之前将其从空气中清除。”

      硼、沙子、切尔诺贝利

      实验测试了钢筋混凝土的强度,直接向一块巨大的混凝土墙以770公里的时速发射了一架F-4幻影喷气式飞机,以检测核电站在遭遇恐怖袭击时的抗击能力。

      Credit:Sandia Laboratories


      与切尔诺贝利核电站不同的是,美国的核设施是完全由水泥和钢筋的密封结构组成。这些密封结构的设计非常复杂,至少在理论上,即使发生重大爆炸也不会破坏它们。你可以用一架小型喷气式飞机去撞这些建筑物的保护壳,但是反应堆的核心仍不会暴露。事实上,作为测试的一部分,美国政府在1988年对一个钢筋混凝土的安全壳就是这样测试的。1988年,美国政府想知道钢筋混凝土有多结实,而钢筋混凝土是建造核反应堆设施的材料。执行这项实验的方式是以480英里/小时(约770公里/小时)的速度发射一架F4幻影战机,并将其迎头撞向一块混凝土板。可以想象如果对一座核反应堆发动9/11式的袭击将会带来多大的后果,不过幸好我们早已先发制人。实验结果是3.66米厚的钢筋混凝土几乎完好无损。尽管这段gif让人看的很爽很震撼,但飞机对混凝土块造成的破坏却小得惊人。最大疤痕深度仅为60mm,结构上的损坏只是相当于擦伤。

      硼、沙子、切尔诺贝利

      飞机撞向钢筋混泥土的时刻,可以看到飞机面对这样的钢筋混泥土,犹如“以卵击石”。

      Credit:Sandia Laboratories

      但是任何一个小的错误有可能都是致命的,所以美国核管理委员会(NRC)已经起草了长达数百页的应急手册,在美国运行的98个核反应堆中,每一个反应堆都有这样的手册。这些文件为应急人员在发生各种看似合理、实则极不可能发生的紧急情况时应该做些什么提供了指导。

       

      虽然自911事件以来,美国核管理委员会已经为更多的极端灾难制定了指导方针,但这些手册中并没有详细介绍切尔诺贝利式的事件,“尽管这样,”赫夫说,“在暴露的堆芯上灭火,最终或多或少沙子和硼都是有‘功劳’的。”

      硼、沙子、切尔诺贝利
      硼、沙子、切尔诺贝利
      硼、沙子、切尔诺贝利

      即使在现在,切尔诺贝利的部分住宅、楼房和森林仍有较高的辐射。动植物在某些地区甚至无法生存,荒废了30余年的切尔诺贝利,成了名副其实的“鬼城”。

      最后,小A君提醒,不要觉得切尔诺贝利废墟探险很酷就盲目前往,切尔诺贝利至今仍有大量未探明区域(包括存放污染服装器材的地下室),有些杂志期刊中也曾报道和探测过,某些地区仍有很大的潜在危险。所以如果要去的话请遵循当地导游的指导和建议,不要只身前往。

      图文参考资料:

      1、Live Science:https://www.livescience.com/65515-chernobyl-in-modern-times-nuclear-emergency.html

      2、Wikizero:https://www.wikizero.com/en/Chernobyl_disaster

      3、Live Science:https://www.livescience.com/65554-chernobyl-vs-fukushima.html

      4、Knowpia百科:https://www.knowpia.cn/pages/%E5%88%87%E5%B0%94%E8%AF%BA%E8%B4%9D%E5%88%A9%E6%A0%B8%E7%94%B5%E7%AB%99%E4%BA%8B%E6%95%85

      5、Interesting Engineering:https://interestingengineering.com/crashed-jet-nuclear-reactor-test


      文章校对/责任编辑:一毫秒的永恒

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