核聚变电站如果失控,会发生什么样的灾难呢？

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核聚变电站如果失控。会发生什么样的灾难呢？

氢弹的威力大家都知道了。大名鼎鼎的“大伊万”氢弹如雷贯耳！1986年发生的切尔诺贝利核事故则让大家见识了核反应堆泄漏的后果的有多严重！正在如火如荼建设的国际热核核聚变反应堆。它的原理和氢弹也没啥区别。假如它失控。是不是地球都会被炸上天？

核反应堆都是什么原理。为什么它们出事故会那么厉害？

我们常说的核反应堆指的就是裂变堆。一般都是利用铀235的裂变产生的巨大能量将水加热到高压蒸汽。最后推动汽轮机带动发电机发出电能！为什么它泄露会有重大污染。那么必须要来了解下它的原理！

核裂变最早是由核裂变是由莉泽·迈特纳、奥托·哈恩、弗里茨·施特拉斯曼及奥托·罗伯特·弗里施等科学家在1938年发现的。它的原理其实挺简单。是重原子核裂变成较轻的原子核。并且在这个过程中会产生轻微的质量损失。这些损失的质量可以由质能方程E=MC²计算得到。由于光速是一个非常庞大的数字。因此即使损失一点点质量。也会产生强大的能量！

铀-235裂变示意图

果只是这样的话。那核裂变能绝壁是一个优秀的能量来源方式。但核裂变的方式并不只是亏损质量。同时它也会产生大量的污染！上图时铀-235裂变示意图。一个铀-235原子受到一颗热中子轰击时会分裂成钡-141和氪-92。同时它也会释放出2-3颗中子！这个中子非常关键。它的作用如下：

核裂变反应堆需要热中子来维持链式裂变。因为铀-235裂变需要中子来维持裂变。而铀-235原子裂变时会释放出2-3个。这表示中子增值效应是满足持续裂变需求的。只是要将裂变的快中子用减速剂减速成慢中子。那样铀-235才容易吸收持续裂变！

另一个问题则是中子的危害。尽管我们身体中的原子核组成中也有中子。但自由中子危害极大。它能对DNA直接造成损伤。还能引发次生辐射。并且它不是带电粒子。无法用磁场屏蔽。只能用厚厚的铅板或者其它能挡住中子的材料！

铀的衰变

上述是中子的用途和危害。但和裂变堆中并不只是中子。除中子外还有危害很大的伽马射线。当然αβ射线也是少不了的。它们在会在裂变和衰变过程中产生。因为核裂变后的元素的衰变链会持续产生这些辐射。所以核裂变如果不注意防护。它的危害是非常大的！

切尔诺贝利核事故

1986年4月26。位于乌克兰切尔诺贝利的核电站4号反应堆在测试时由于操作人员失误。关闭了一系列保护措施。最终核反应堆功率大增。并且还关闭了紧急核心冷却系统和区域自动控制系统以及紧急停机系统。结果核反应堆压力大增。引发的第一次爆炸直接将核反应堆外壳炸了个大洞！而第二次爆炸更是将堆芯直接炸散了！

爆炸的4号反应堆

高浓度的核反应堆内的放射性直接被抛入了大气层。而且蒸汽和燃烧的烟尘则加剧了这个过程。难以计数的放射性物质通过高层大气的流动。覆盖了前苏联部分地区和欧洲大部地区。这是有史以来危害最大的核事故。国际核事件分级表评为最高第七级事件的特大事故！

2011年3月11日。福岛第一核电站因为311大地震导致设备损坏。堆芯融毁和大量辐射物质释放的核事故。另外还有大量受到放射性核污染的冷却水大量排入太平洋。它的深层次危害可能比切尔诺贝利还要严重。因为污染的是连接全世界的太平洋！

氢弹的爆炸就是核聚变。那么核聚变堆失控会把地球炸上天吗？

我们见识了核裂变堆泄漏时那强大危害。更知道氢弹的威力。尽管核聚变堆还没造出来。但要是聚变堆像氢弹一样比核裂变泄漏更危险。那可如何是好？要知道威力有多大。那么也得从聚变和氢弹的原理开始说起！

聚变说起来比裂变更简单。它是澳大利亚核物理学家马克·欧力峰发现的。简单的说就是两个轻原子核结合变成一颗更重的原子核。而质量亏损也会在整个过程中发生。但它的质量亏损比例大约是裂变时的8-10倍左右！因此氢弹的威力要比原子弹大得多。但真正的原因却不在此！

氘和氚的聚变过程

看起来极其简单的核聚变。但实现却需要数千万到上亿度的高温。人类根本就无法达到整个温度。因此在原子弹发明以后。科学家想到了用原子弹的爆炸来达到超高温高压的环境！当然氢弹引爆的模型十分复杂。据说全世界只有两种构型能让氢弹爆炸。一种是泰勒构型。另一种是于敏构型。我们不管是哪种模式。氢弹的威力很大就是了！

原子弹的核装药存在临界质量。因此准备裂变的核材料必须以复杂的结构分散布置。而在炸散前以尽量多的装药裂变是关键（广岛原子弹装药二十几千克。只有一千克参与了裂变。产生了一克的质量亏损。威力2万吨TNT当量）！因此原子弹往往当量存在上限。一般50万吨TNT当量以上就很难了！但氢弹不存在整个瓶颈。所以氢弹的威力几乎是无穷的。

原子弹两种典型结构

全世界威力最大的氢弹是前苏联在新地岛试爆的“大伊万”氢弹。原本爆炸威力相当于一亿吨TNT。但科学家计算后发现。其爆炸影响范围内有人居住。因此减少装药将威力下降到5000万吨。实际威力大约为5800万吨！

大伊万（沙皇炸弹）爆炸地点

这颗氢弹的核装药聚变时间38纳秒。释放出了21万太焦耳的能量。产生的火球半径达4600米。爆炸的热气浪在170千米外仍然杀伤力。爆炸产生的电磁脉冲导致无线电中断一个多小时！它的威力是通古斯大爆炸的2.5倍以上！

核聚变堆如果失控会炸翻地球吗？

我们见识了裂变堆的失控。也见识了氢弹的爆炸。那么和氢弹原理一样的聚变堆失控会很危险吗？国际热核聚变堆是十几个国家准备突破商业核聚变的实验堆。它的结构是托卡马克（典型的磁约束。仿星器也是磁约束。国家点火装置是惯性约束）！

托卡马克结构

因为用来发电。所以它无法用原子弹引爆的方式来实现聚变。其原理是利用超导磁体产生的超强磁场将氘氚的等离子体约束在真空腔内。再利用特殊的加热方式。让其达到5000千万到上亿度。以达到氘氚聚变的目的！

氘氚聚变也会产生难以控制的中子。它会导致元素嬗变。因此再核聚变堆内有一个第一壁就是防止中子乱窜的。同时第一壁接受的热辐射将会被散热管道引导出来。加热水形成高压蒸汽推动汽轮机发电！

再托卡马克超导腔内。狂暴的等离子体被一个超级变压器形成磁场控制。但等离子体控制难度极高。因此当前各国的实验都是以控制高温等离子体更久时间为目标。但即使如此。等离子体仍然非常容易破裂。一旦失控。超高温等离子体将会破坏第一壁。窜出的超高温等离子体将会继续破坏超导腔和其它设备。但它不会形成规模性的爆炸！

因为它不像裂变堆。如果失控的话可能会形成失控的链式反应（控制棒无法插入吸收中子等）。或者衰变物质大量进入大气层。聚变堆需要超高温加热以及磁场约束下聚变的。一旦失去这个约束条件。那么最后的那团等离子体所包含的就是它所有的能量！

因此在这种状态下。它的破坏力是极其有限的！最大的可能就是聚变堆损坏。需要大量资金维修。但像核裂变堆那样的毁灭性破坏是不会有的。可能会引起少许的嬗变材料辐射影响。但非常有限！

所以各位还是可以放心。如果热核聚变堆失控了。它也不会让地球飞上天。当然惯性约束的聚变堆尽管原理有些不一样。但同样不会！

其他观点：

核电站虽然大家都听说过核电站。但是很多人对核电站并不了解。往往一想到“核”。就会想到可怕的核武器。

核电站是人类对于核能的积极的应用。为人类带来了大量的清洁能源。但是核电站因为是利用核能作为燃料。所以依然存在着隐患。

核电站实际上是利用蒸汽发电。核反应堆就像是烧水的大锅炉。通过核裂变。将核能转化成热能。把水加热成水蒸气。

蒸汽带动汽轮机转动。从而使发动机在汽轮机的运作下转动。从而产生电能。

核电站的3大危害

1.核泄露

核泄露又称为核熔毁。核反应堆发生意外的故障时会出现。核能外泄所发出的核能辐射虽远比核子武器威力与范围小。但是也会造成大量的生物死亡。

2. 癌症患病率增高

核电站会产生放射性废料。或者是使用过的核燃料。虽然所占体积不大。但因其具有放射性。必须慎重处理。如果处理不当。会对生物产生不同程度的辐射影响。

3. 核电站爆炸

虽然世界各国对于核电站的管理非常严格。但是也很难完全的避免事故的发生。一旦发生核电站爆炸事故。会造成大量的人员伤亡。核辐射会随着抱着迅速扩散。造成人身和财产的损失。

其实核电站最大的危害就是发生核电站爆炸事故。我们通过血淋淋的例子来说明。核电站爆炸会造成哪些可怕的后果。

切尔诺贝利核电站爆炸

切尔诺贝利核电站曾被誉为世界上最安全的核电站。但是切尔诺贝利核电站爆炸也被称为世界上最严重的一次核电站爆炸事故。

爆炸原因

1986年。切尔诺贝利核电站工作人员照例进行4号核反应堆的维修和测试。但是操作人员一系列的操作完全没有遵守安全规定。

1. 反应堆操作人员对能量输出的降低过快。

2. 功率下降的速度已接近安全规定的警戒线。但操作人员仍选择继续实验。

3. 自认为经验极其丰富的操作人员将控制杆减少到了6个。

4. 控制棒被卡住。无法有效地停止反应。

爆炸后果

1. 上万人由于放射性物质远期影响而致命或重病。至今仍有被放射线影响而导致畸形胎儿的出生。

2. 辐射尘污染了周围的乡镇。借由气流的帮助。没有规律地往外面散开。

3. 辐射能够更改变以及破坏人类的基因和染色体。辐射对当地居民会造成几个世纪的影响。

如果距离在10公里左右。还算比较安全。最起码不会因为爆炸直接造成死亡。所以要做的第一件事就是。跑。

可能有人会问。10公里这么远。还有必要跑吗？答案是一定要撤离。而且越快越好。核电站爆炸最致命的不是爆炸本身。而是核辐射尘的扩散。而是核应急烟羽区。

什么是核应急烟羽区？

照射途径为放射性烟羽产生各种放射威胁建立的应急计划区。其以核电厂反应堆为中心、半径一般不大于10 km。

1. 如果处在烟羽区。要快速有序的撤离影响区域。到达安全地点。

2. 用湿毛巾、湿布料等捂住口鼻。过滤放射性物质。减少放射性物质的吸入。

3. 进行全身防护。如帽子、头巾、防护眼镜、口罩、雨衣、手套、靴子等。减少体表的放射性污染。

4. 。在接触放射性污染物之后4小时或同时服用稳定性碘。则可阻断90%以上的放射性碘在体内沉积。

总结

核电站事故固然可怕。但是核电站事故是可以预防。可以控制的。核电站为人类提供了大量无污染的电力。不会加剧温室效应。合理的开发核能对地球的环境能够起到积极的作用。

其他观点：

什么是核聚变？

既然要讨论核聚变电站。我们就先要了解什么是核聚变？1932年澳洲科学家马克·欧力峰(MarkOliphant）率先发现两个较轻的原子核可以融合为一个较重的核。并且在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量。

按理说两个轻核在发生聚合时会因它们都带正电荷而彼此排斥。但当两个能量足够高的核迎面相遇时。它们之间核力就能够克服库仑斥力而彼此紧密地聚集在一起发生核反应。

上图为核聚变反应图解

其中最具有代表性的莫过于两种氢核聚合形成氦核的聚变反应。我们知道氢元素一共有三种同位素(氕H、氘D、氚T)。他们仨最大的不同就是中子数的不同(分别是0、1、2)。而后两者就是发生聚变反应的主要反应物。它们可以聚变产生一个氦核和一个中子。并且释放17.6MeV的能量。

按照这个数字我们可能不知道其能量到底有多大。1905年天才爱因斯坦发表了一篇论文。其中有这么一个公式——E=mc²。这里的E就是能量。m代表质量。c则是我们所了解光速(3.0乘10的8次方)。也就是说反应中所释放的能量达到其亏损质量的c²倍。这就知道多厉害了吧！

我们的太阳内部就无时无刻的在发生着这种聚变反应。不过由于其反应之快。目前我们还不能加以控制。如果将其约束在一个装置或者区域中。根据人们的意图有控制地产生与进行则可以为人类提供取之不尽用之不竭的能量。

上图为太阳核聚变的三步链式反应

核裂变泄露有多可怕？

了解了什么是核聚变后。我们来看看核裂变。核裂变是目前人类唯一可以控制并利用的核能。我们都知道核电站泄露的危害很大。而核电站的主要原理就是根据核裂变产生的巨大能量发电的。与其相同的还有我们熟知的原子弹。1945年。美军“509小组”向广岛投下了一颗代号为“小男孩”的原子弹。七万平民瞬间死亡。另外还有七万人受伤。几天后。很多幸存者开始脱发、呕吐并伴有辐射导致的紫疮。对原子弹爆炸幸存者的医疗检测也持续至今。其威力我们可想而知。

但是还有比这更厉害的。1986年4月26日凌晨1点23分。苏联的切尔诺贝利核电厂的第四号反应堆发生了爆炸。这次灾难所释放出的辐射线剂量是广岛原子弹爆炸的400倍以上。上万人由于放射性物质的长期影响而致命或患上重病。至今仍有被放射影响而导致畸形胎儿的出生。一个绿色和平组织于2006年4月18日发表报告称。切尔诺贝利核事故导致27万人患癌。因此而死亡的人数更是达到9.3万。该事故也被认为是历史上最严重的核电事故。是首例被国际核事件分级表评为第七级事件的特大事故。

切尔诺贝利4号反应堆爆炸后

除此之外。在切尔诺贝利核事故之后的福岛核泄漏事件也造成了数以万计的损失。2011年3月11日14时46分。日本发生了9.0级大地震。地震造成东北海岸包括福岛第一、第二核电厂在内的四个核电厂共11个反应堆自动停堆。虽然当时应急柴油发电机已经按设计自动启动并处于运转状态。但是地震引发的海啸深入到电厂内部后。还是造成了除一台应急柴油发电机之外的其它应急柴油发电机电源丧失。最终由于机组在堆芯余热的作用下迅速升温。锆金属包壳在高温下与水作用产生了大量氢气。引发了一系列爆炸。

福岛第一核电站

该事故也是第二起在国际核事件分级表中被评为第7级（最严重等级）的核电站事故。

为什么核裂变危害这么大？

1896年2月24日。法国物理学家亨利·贝克勒尔通过对各种铀盐的观测。发现了元素的放射性现象——即某些元素的原子通过核衰变自发地放出α射线或β射线(有时还放出γ射线)的现象。

β衰变示意图

而这些射线可以破坏人体的DNA。引起基因突变或者染色体变异。导致人体不能正常运作。使一代甚至几代受害。实际上。所有拥有至少83个质子的原子都有放射性。而核裂变产生的核废料或者说产物一般都在这以上。所以说核裂变的危害是非常大的。

现在我们知道了核裂变的危害之大。那么核聚变和核裂变到底有什么区别呢？

顾名思义。核裂变就是由一个原子核分解为多个原子核的反应。最早由莉泽·迈特纳、奥托·哈恩、弗里茨·施特拉斯曼及奥托·罗伯特·弗里施等科学家在1938年发现。虽然这听上去很简单。但是真正想实现瞬间产生巨大的能量可不简单。因为这需要大量的原子核发生自发裂变即产生链式反应。

以铀235裂变为例。一个铀235原子受到中子轰击后会分裂为钡141和氪92。同时释放出2-3颗中子。要想实现大量铀核裂变就要利用这些释放的中子。使其继续轰击其他铀核。而只有将裂变的快中子用减速剂减速成慢中子。那样铀235才会持续裂变。并在极短的时间内产生巨大的质量亏损释放能量。

从控制角度来讲。铀235吸收中子裂变这一过程是不需要能量的。并且中子能量越低越容易发生裂变。而由氘(D)和氚(T)发生的聚变反应就不同了。因为这需要极高的能量。能量不够是没办法发生反应的。比如太阳内部的聚变反应就是因为其表面的高温及内部的超高压力起到重要作用。在我们地球表面无法达到太阳内部那样的压力。就只能提升温度来达到点火要求。一般这需要上亿摄氏度。

从环境角度讲。核裂变所需要的铀元素在地球上有限。而核聚变的主要原料氘和氚从海水中就可以提取。每1升海水提取的氘聚变产生的能量就相当于300升汽油。并且前者产生的放射性极强。安全隐患大。不过核聚变也不是一点缺点没有。后面会讲到。

从能量角度讲。通过核聚变获得的能量要比核裂变更容易。燃烧一公斤氘相当于四公斤铀。还相当于七千吨汽油或一万吨煤。

其实缺点就一个——反应条件苛刻！前面已经说了。在地球上要想实现可控核聚变。就要达到上亿度才能点火。可是这种温度下真的是不好控制。一般有两种方式:

1.惯性约束

惯性约束就是指利用高功率物质(比如激光、电子束、离子束)来点燃少量的热核燃料。使它在惯性约束的情况下达到点火条件。地球上首个从热核聚变获得能量的就是用的惯性约束—氢弹。因为氢弹是靠原子弹引爆的。而原子弹起爆要达到一个临界值。瞬间产生巨大的能量。

因为激光技术能产生聚焦良好的能量巨大的脉冲光束。所以我国的神光装置以及美国的国家点火装置都采用这种核聚变约束形式。

2.磁约束

除了上面的惯性约束外。还有一种成熟的技术——磁约束。1954年。苏联库尔恰托夫研究所率先发明出一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器——托卡马克。1968年第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上。阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度1keV(1100万摄氏度左右)。这一结果。轰动了全球。

托卡马克的核心是一个真空室。进行核聚变时要先抽出真空室里的空气和杂质。接着给能够限制、控制等离子体的磁体系统充电。并引入气态燃料。

当真空室内达到超感的压力和温度时。里面的气态氢燃料就会发生电分解。并形成等离子体。之后温度达到1.5-3 亿摄氏度时粒子便克服碰撞时的自然电磁排斥力进行融合。释放大量能量。所以磁约束也是当时乃至目前实现可控核聚变最有希望的途经。目前的核聚变电站还正在建设中。那么如果核聚变电站失控会不会带来什么灾难呢？答案是不会的！甚至连爆炸可能都不会。如果出现失控的现象。可能就直接造成核聚变电站停电停机了。因为核聚变电站失控时是无法发生反应的。也就不会出现能够造成灾难的机制了。

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