切尔诺贝利的堆芯为什么会爆炸? 第1页

1986年4月26日星期六，当地时间凌晨1点23分47秒（UTC时间：25日22时23分47秒），切尔诺贝利核电站的4号核反应堆功率灾难性地激增，导致蒸汽爆炸，撕裂反应堆的顶部，使核心暴露，并散发出大量的放射性微粒和气态残骸（主要是铯-137和锶-90），使空气（氧气）与超高温核心中的1,700吨可燃性石墨减速剂接触；燃着的石墨减速剂加速了放射性粒子的泄漏。泄漏原因部分是由于放射性物质并没有被装在安全壳中（不像大多数西方的核电站，苏联的RBMK反应堆通常没有这种装置）。随后放射性粒子随风跨越了国界。

蒸气涡轮测试计划

在正常状态下，核裂变反应堆有6%的功率来自反应产物之余热。在启动紧急停机（英语：Scram）后，尽管链式反应停止，但仍会继续产生余热，因此冷却系统必须持续运作以避免堆芯熔毁。

RBMK反应堆使用轻水作为冷却剂，四号机具有1,600个独立燃料管道，每个管道每小时需要28吨轻水进行冷却作业。切尔诺贝利核电站的各机组均配备三台备用柴油发电机，以确保在紧急停机且电网异常时，冷却泵能持续作动。然而，尽管柴油发电机可在15秒内启动，却需要额外的60～75秒暖机，方可输出泵运作所需功率5.5MW。长达一分钟的空窗期是切尔诺贝利电厂的一大安全隐忧。

当时提出的解决方案是利用蒸气涡轮的惯性。紧急停机后，蒸气涡轮仍会持续转动一小段时间，根据分析，此残存的涡轮动量可发电供应泵运作45秒，恰好支应空窗期的电力需求。切尔诺贝利电厂为了验证此一构想，于1982至1985年间进行了三次测试。1982年的第一次测试显示发电功率不足，在调整系统后，1984、1985年的两次测试依然失败。于是电厂计划于1986年，利用即将进入岁修的四号机进行第四次测试。

由于本次测试主要牵涉电源切换，无明确风险，测试计划书也就仅由厂长批准，并未跟原设计厂NIKIET和核电管理单位再次确认。然而，问题并非出在测试计划书上。若测试完全遵守计划程序，整个反应过程将会是稳定而安全的，并不会发生最终的爆炸灾难。

原先的测试程序为:

1. 将机组功率降低至700MW到800MW，但不得低于700MW。
2. 蒸气涡轮发电机全速运转。
3. 上述条件满足后，切断涡轮发电机之蒸气供应。
4. 记录涡轮发电机的发电数据，判断其是否足够供应空窗期需求。
5. 紧急发电机暖机完毕，涡轮发电机结束发电。

空窗期问题在切尔诺贝利核电站营运后始终未能妥善解决，是电厂管理方的重点改善项目。也许正是因为这样的压力，使现场的管理人员在问题重重的情况下，仍执意进行第四次测试。

测试前置

测试前置作业于1986年4月25日早班前展开。早班工作人员已受过行前训练，一批电机工程师组成的小组也将在场测试新的稳压系统。4月25日1点16分，四号机组开始逐渐降低输出功率。在早班人员上工时，输出功率已降至正常（3200MW）的一半。

碰巧的是，有个小型发电站无预警跳机，基辅电网调度单位遂要求切尔诺贝利优先支援傍晚尖峰用电，延后降低输出。厂方同意，于是测试被推迟至当日深夜。其他不影响输出功率的前置作业依然持续进行，包括关闭紧急核心冷却系统（英语：Nuclear reactor safety system），一个在紧急状况下向核心注水降温的系统。尽管ECCS(Emergency Core Cooling System（英语：Nuclear reactor safety system）)不足以阻止最终的爆炸，但关闭它也反映了本次测试对安全的极端忽视。

当日23点04分，基辅电网允许机组继续降低输出。延后测试带来很大的影响，受过训练的早班人员早已下班离开，晚班人员正准备交接下班，大夜班人员在午夜后将会独立作业。根据原先计划，测试应在早班结束并完成停机，大夜班人员只需管理冷却系统即可。此时计划更改，大夜班人员为了在交接结束前做好测试准备，决定极快地降低功率。此时值班主任为亚历山大·费奥多罗维奇·阿基莫夫，操作员为列昂尼德‧费奥多罗维奇·托普图诺夫（Леонид Фёдорович Топтунов）。后者在三个月前才升任高级工程师。

测试计划要求四号机输出功率缓慢从1,000MW降至700MW。4月26日凌晨12时05分，输出功率降至700MW，但反应堆内产生的衍生物氙-135持续吸收中子，使得输出功率持续下降，这个现象称为“反应堆毒化”（英语：reactor poisoning）。正常功率运作下，充足的中子能将氙-135“烧掉”化为氙-136，但功率过低时，中子供应速度不及于氙-135的产生速度，反应因而逐渐停止。当输出功率降至500MW时，托普图诺夫又错误地将控制棒插得过深，让反应堆来到准停机状态，输出功率不到30ＭW。

此刻，反应堆的输出功率是测试计划的5%，值班主任阿基莫夫非常不安，和托普图诺夫共同支持直接停机。但负责指导实验的代理总工程师阿纳托利·斯捷潘诺维奇·佳特洛夫执意继续进行。两人被说服后，命令控制室人员关闭控制棒自动控制系统，再以手动控制抽出大量的控制棒。数分钟过后，反应堆输出增加，稳定维持在160-200MW，仍然较计划之测试起始功率700MW为低。这是因为低功率状态让氙-135持续生成，毒化反应堆并阻止功率上升。

低功率且充斥氙-135的反应堆造成核心温度，冷却水流与中子流的不稳定，触发了一系列警报。控制室收到大量来自冷却系统与蒸气管路的紧急信号。但为了提高反应功率，工作人员对凌晨12时35分至45分之间的警报一概置之不理。

其他前置作业也于功率回升至200MW时展开。4月26日凌晨1时05分，额外的冷却泵按照计划启动以增大冷却流。这却使冷却流通过冷却塔的时间减少，冷却水的均温因此增加，接近核态沸点，这让反应堆更不稳定。水流于1时19分超过额定上限，触发了低蒸气压警报。于此同时，增大的水流降低核心温度，又吸收了一部分中子，使得功率依旧无法上升。夜班人员于是关闭两个循环泵，降低水流，并手动移除了更多控制棒。

一系列见招拆招的操作让反应堆变得极度不稳定。按操作规范，在紧急情况下仍需保留插入至少28支控制棒以确保安全，此时却只有18支插入。自动SCRAM停机系统与许多自主/被动的安全功能被关闭，只保留了人工紧急停机系统（"AZ-5"/迅速紧急防御-5按钮）。反应堆的配置已经超出原始设计的安全范围，只要有一点扰动，便足以走向毁灭。

测试与爆炸

• 1:23:04 – 蒸汽涡轮测试开始
• 1:23:40 – AZ-5按钮被按下，紧急停机
• 1:23:47 – 第一次爆炸，四号反应堆上盖被炸飞，屋顶炸穿，堆心暴露
• 1:23:50 – 第二次爆炸，堆心炸散

凌晨1点23分04秒，测试正式开始。八个循环泵中有四个保持运作(正常运作下通常开启六个)。蒸气供应被切断，柴油发电机开始暖机，在1点23分43秒前，涡轮发电机必须要满足循环泵的用电需求。随着涡轮动量逐渐降低，发电量逐渐下降，泵输出的水流量也随之降少，蒸气气泡数量增加。

在切尔诺贝利的RBMK石墨缓和反应器的特殊设计中有一个相当高的“空泡系数”（void coefficient），意味着在没有水、仅有水蒸气时，减低的中子吸收作用会使反应堆的功率迅速地增加，在这种情况下形成了一个危险的正循环：蒸气气泡增加，降低了水吸收中子的效率，进而导致输出功率增加；而输出功率增加，又会导致更多的气泡产生。自动控制系统试图阻止正循环发生，但它只剩下12支控制棒的控制权，因而无能为力。

凌晨1点23分40秒，根据SKALA中央控制系统的纪录，AZ-5按钮被按下，启动了紧急停机系统。启动AZ-5的理由至今不明，可能是为了因应温度急遽上升的紧急措施，也可能纯粹是测试结束的停机程序。究竟AZ-5是在警铃大作时，还是一片安详时被按下，至今仍是众说纷纭。

在AZ-5按钮被按下后，被抽出的全部控制棒开始重新插回反应堆中。控制棒的移动速度为每秒0.4米，完全插入7米高的核心需要18至20秒。RBMK反应堆控制棒的设计也是一个大问题。控制棒的底端连结了一块促进链式反应的石墨。原本的设计用意是让控制棒抽出时，底下的石墨能促进并均匀链式反应。但这也导致一开始插回控制棒时，尾端的石墨取代下方吸收中子的水，一来一往反而促进了反应速率。直到控制棒插入足够深，反应速率才终于被抑制而下降。此违反直觉的“先升后降”现象在1983年被立陶宛的伊格纳利纳核电站所发现，但因为该次停机顺利完成，事后此现象也就不为众人所重视。

在紧急停机启动后7秒，石墨部分导致功率急剧上升，核心温度过高使部分燃料棒变形，堵住控制棒管道，于是控制棒仅能插入三分之一。卡在核心间的石墨继续促进链式反应，不到数秒功率便上升至530MW。高热进一步产生高压蒸气，促使燃料棒破裂融化，且蒸汽压力迅速增加，根据估计，此时反应堆功率为30,000MW，达到正常输出功率的10倍。控制面板最后测得的输出功率为33,000MW。终于因为蒸气压力过大，导致大规模的蒸汽爆炸，一口气将反应器2,000吨的上盖炸飞，冷却剂管道爆裂并在屋顶炸穿一个大洞。为了减少费用，也因它的体积太大，反应堆以单一保护层方式兴建，这令放射性污染物在反应堆压力容器发生蒸汽爆炸而破裂之后进入了大气。此为多数人听到的第一次爆炸。这次爆炸摧毁了更多燃料管道，大量的蒸气涌出，冷却水的持续流失令反应堆的输出功率继续上升。

第二次爆炸在第一次爆炸后两至三秒发生，堆芯在这次爆炸中炸散，也因此停止了链式反应。然而，在氧气与极端高温的反应堆燃料和石墨慢化剂结合后，马上引起了熊熊燃烧的石墨火。产生了极大量的辐射落尘，使放射性物质扩散和污染的区域更广。

由于目击者的报告和站内纪录不一致，有一些争论认为确实的事件是发生在当地时间1点22分30秒。最后公认的版本被描述在上面。根据这种理论，第一次爆炸发生在大约1点23分47秒，操作员在七秒前下了“紧急停机”命令。

爆炸发生后，四号机厂房被炸掉一半，反应堆核心直接暴露在大气中，核心中央一道蓝白光线射向夜空，这是空气中被电离激发的原子回到非激发态的表象。

摘自维基百科