切尔诺贝利核事故的前因后果

不要问为啥这个专栏里冒出这么一篇文章，实在是B站相关视频评论区讨论了太多次相关内容，干脆写一篇文章。

作为人类历史上最大的核灾难，切尔诺贝利事故一直有很高的知名度，但是因为其发生过程涉及大量物理知识和工程细节，大多数人对事故的成因和后果缺乏了解。这导致，在中文互联网关于核安全相关的讨论中，各种奇谈怪论占了主流，被别有用心的人带起节奏。而核电业内人士虽然尽心尽力进行科普，但说明方式过于专业化，少有读者愿意看完，更不要说看懂了。美剧《切尔诺贝利》是目前为止对此事故描述最为准确的大众文化作品，对关键细节都做了说明，但是因为本身偏向戏剧性，这些科学细节被大部分观众所忽略，科普效果不是太好。
我想借这个机会，以尽可能简单的语言，对事故的起因，过程，后续救灾，以及长期影响进行说明。

先简单说明一下核反应堆的原理与结构。反应堆的主要材料是铀，铀的一种同位素铀235会自己衰变，丢失原子核中的中子，同时释放少量能量。但是如果铀235的原子核被外来的中子击中，就会发生裂变，释放出大得多的能量。自然界99%的铀都是铀238，它实际上不能算作是放射性物质（半衰期长达45亿年），铀235在铀金属中含量极低（0.7%），因此自然的铀金属是不会发生裂变反应的。要人为制造裂变有两种方法，一是使用纯度极高的铀235，并且压缩其体积，让中子击中周围的原子核，这就是原子弹，二是将低纯度的铀235浸泡在减速剂中，降低中子的速度，提高其击中原子核的概率，这就是核反应堆。
核反应堆的工作方式是，将铀235纯度为2%以上的铀金属装入长条的密封容器，制成燃料棒，然后将燃料棒插入减速剂中，铀235在慢中子的轰击下以一定速率裂变，发出热量，然后冷却水带走热量，产生蒸汽，蒸汽推动涡轮进行发电。减速剂可以使用石墨、水、重水，也就是石墨堆、轻水堆，重水堆。
裂变反应一旦开始就无法停止，如果反应速度过快，产生太多热量，就会融化反应堆导致灾难。因此反应堆通过控制棒来控制反应的速度，控制棒中含有能吸收中子的材料。控制棒插入的数量多，插入的长度多，反应堆功率就低，拔出大部分控制棒，反应堆的功率就会飙升。

下面进入正题。
切尔诺贝利核电站是苏联70年代建设的大型核电站，位于乌克兰首都基辅东北方130公里处，一共有4个RMBK型石墨反应堆。顺便一提切尔诺贝利核电站其实是俗称，它的官方名称是列宁核电站。
石墨反应堆使用水做能量传输介质和冷却剂，在反应堆工作时一直有大量的水流过。如果发生意外情况，反应堆会自动停止，但是链式反应有惯性，会继续产生热量，因此必须保证冷却水继续循环。福岛核事故就是地震后主水泵自动停止，应急水泵耗光燃料后停机，导致反应堆过热融化。
苏联核工业部想要测试各种事故状态下反应堆的安全性，这些测试任务被分配到各发电厂，切尔诺贝利厂负责的测试是，在反应堆停机，应急水泵又来不及启动的情况下，发电机依靠惯性继续产生电能，让主水泵继续工作一段时间。在1986年以前，切尔诺贝利厂已经搞了4次测试，但都因为这样那样的原因无法完成。4月26日的这次事故，领导要求务必成功，现场工作人员的压力非常大。
按照实验计划，4号机组要先制造一次类似于福岛核事故的小型事故（只是不包括后面的反应堆熔化），反应堆停机，应急水泵故障，相关的各种保险装置也都失效，然后测试主水泵的持续时间。但是在测试开始时，国家电网发来了指示，要求4号机组不能停机，继续发电以应对用电高峰，因此4号机组用半额功率运行了半天。在低功率下，反应堆产生了大量的氙135元素，氙135会降低反应堆功率，也就是所谓的“氙中毒”。因此，反应堆在低功率运行后不能马上恢复工作，需要停机一段时间，等氙135减少后再重新启动。这也是为什么核电站不能像水电站火电站那样随意调整发电量，它只能作为基本负荷发电站，长期稳定运行。
供电任务结束后，实验继续。首先要制造事故前兆，提高反应堆功率，然后突然停机，所有保护措施全失效，发电机依靠惯性继续运行，维持主水泵工作。但是因为氙中毒的缘故，反应堆功率无法提高。当时是凌晨1点，负责实验的现场主管，副总工程师迪亚特洛夫已经很疲惫了，他没有仔细研究功率低的原因，而是让操作员拔出所有的控制棒，强行提高反应堆功率。按照规定，反应堆内的控制棒不能少于30个，有专门的保护装置，但是为了模拟事故，保护装置被关掉了，操作员将操作棒减少到6个。这一系列违规操作导致反应堆功率开始急速提高，完全超出了正常范围。迪亚特洛夫进行了一系列操作，但都无效。
RMBK型反应堆有一个很糟糕的特性，它有正的空泡系数。空泡系数的意思是随着蒸汽量增加（意味着冷却水的冷却效率降低），反应堆的功率会提高还是降低。理想的反应堆应该有负空泡系数，冷效率降低，反应堆功率会自动降低，而正空泡系数下，冷却效率越低，功率增加得越快。4号反应堆进入恶性循环后，现场工程师阿基莫夫做出了一个正确的决策，他违背迪亚特洛夫的命令，按下紧急停机按钮。紧急停机后，反应堆会立刻插入所有的控制棒，强行终止裂变反应。
这时发生了一件非常坑爹的事。反应堆使用的核燃料是天然铀提纯而来，成本非常高，核工业部为了省钱，降低了核燃料的纯度。为了让低纯度燃料也能高效裂变，苏联科学家修改了RMBK反应堆控制棒的设计，可以减少反应堆功率的波动。问题是，这种异型控制棒在刚插入反应堆的时候，不仅不会降低功率，反而会让功率提升！这个设计缺陷之前已经造成过数次类似事故，苏联你懂的，这些事故都被列为国家机密封锁起来，甚至迪亚特洛夫这样的核工业高级工程师都不知道有这个缺陷，他们只知道苏联核电站操作手册里有一些奇怪的规定，违背物理学常识，又没写明原因，怀疑编写者学术水平不高。这就埋下了后来违规操作的祸根。
正常情况下，数个控制棒同时插入问题不大，但4号机组是一百多个控制棒同时插入。更糟糕的是，由于这次实验是模拟事故，因此控制棒被提升到了不正常的高度，重新插入时提升功率的时间比其他事故中长了很多。暴增的能量让控制棒膨胀变形，控制棒恰好卡在了最能提升反应堆功率的位置！按照后来的调查，紧急停机后4秒，反应堆的功率飙升到了理论最大功率的100倍！
核反应的巨大能量瞬间蒸发了反应堆中的冷却水，蒸汽爆炸摧毁了反应堆以及整个厂房，大量核燃料和含有高放射性的石墨被抛到空中，散落到整个厂区。人类靠近这些石墨几分钟就会死亡（不会马上死，会在病床上挣扎几星期），至于核燃料，看一眼就会死。
留在反应堆中的核燃料继续产生超高温，高温引燃石墨，火焰的热气流带着数十吨放射性物质升上高空，随着大气环流飘向整个世界。
所以拿福岛核事故与切尔诺贝利相比较是非常不合适的，两边的破坏程度和污染规模，差不多是轿车撞毁和大型客机坠毁的差别，福岛被定为7级是因为达到了7级水平，而切尔诺贝利被定为7级，是因为事故等级一共只分了7级。

至于所谓的“苏联至少处理好了核事故”，就更是一个恶意的笑话了。
事故发生后，核电站的人自己也不清楚发生了什么，还以为是冷却水箱中氢气太多爆炸了，那样的话问题还不太大，水蒸气带不走太多放射性物质——这其实就是福岛核事故中发生的爆炸。福岛核电站要比切尔诺贝利先进一些，它是有安全壳的，而切尔诺贝利的反应堆是直接放在厂房里的，跟露天只差一个屋顶，当然，爆炸大到切尔诺贝利这种程度，有没有安全壳都一样了。因为错判事故情况，核电站叫了普通消防队来灭火，导致大量非专业人员进入现场，大量伤亡。天亮后，核电站的人才了解到事故全貌，紧急上报。
紧急救灾过程没有什么可指责的地方，虽然采用了很多粗暴手段，造成救灾人员大量伤亡，但是考虑到事故的惊人规模（每2小时就相当于发生一次广岛核爆），当时已经没有条件采用更专业的手法了。通过空投硼砂（控制棒就是硼和镉做的），覆盖了暴露的反应堆，停止向外散布放射性物质，也降低了核燃料的反应速度。紧急排除了核电厂废墟内的积水，避免继续发射大爆炸（最坏情况下半个苏联没了）。在反应堆下方隧道铺设冷却，避免熔化的核燃料烧穿地基——福岛核事故最大的问题就是没有处理好这部分，核燃料烧穿地板漏到了土地里，污染了地下水，甚至有一部分渗透到附近的海里。
但是，为了避免国外拿这次事故做文章，影响“伟大苏联的国际形象”，苏联在积极组织救灾的同时，封锁了事故相关信息，更没有警告周边地区的民众，130公里外的基辅市，五一节游行照常举行，几十万市民涌上街头庆祝，尽情吸入辐射尘。
苏联最大的问题出现在紧急救灾结束后的长期处理上。首先是将附近几百平方公里的表层土铲走，然后埋在土里。众所周知乌克兰不是沙漠，这里是会下雨的，土层中的放射性物质随着雨水下渗，进入地下水，然后进入第聂伯河，流过整个乌克兰，排入黑海。虽然苏联没向海里排放核废水，但起到的效果和日本是一样的。
更要命的则是对核电站废墟的处理。福岛核事故紧急救灾结束后，日本人在原厂房上面盖了一个更大的厂房，将废墟整个封闭起来，之后安装各种机器人，由机器人切割拆解反应堆残骸，之后残骸作为核废料保管，原址拆除恢复为平地（计划如此，实际上会有很多麻烦）。切尔诺贝利4号机组理论上也应该这样做，但是废墟的放射性实在太高了，在很长一段时间都造不出在这种环境下工作的机器人。所以苏联制造了一个超大的水泥罩子（俗称“石棺”），将4号机组厂房封闭起来。
为了避免废墟长期露天，工程队加班加点赶制，终于在苏联解体前建好了石棺。亲自用过苏联制造产品的朋友肯定也能猜到，这个石棺建成不到10年就裂了。这倒没什么好指责的，应急用的建筑质量差一点很正常。苏联制造虽然坏的快，但是它容易修啊。
问题在于，俄国不认账了——你们乌克兰核电站出了问题，找我俄罗斯干什么？我们自古以来就是两个国家。乌克兰没有办法，只能跪下去求刚成立的欧盟，欧盟和其他发达国家集资了20多亿欧元，建了一个新的外壳（这个外壳是世界上最大的可移动建筑），包裹在石棺外面。至于废墟和反应堆怎么办，只能等待后人的智慧了。日本人还意淫过开发新的核物理技术去处理放射性物质，《攻壳机动队》TV版中“日本的奇迹”就是一种将放射性物质无害化的技术，结果自己家电站也炸了，没有任何奇迹出现，只能老老实实用机器人去拆。
故事到这里还没有结束。2022年，俄军在开战后立刻占领了切尔诺贝利遗址。这里不是战略要地（地名就叫普里皮亚季沼泽），而且众所周知的危险，所以乌军也没管，你还能拆了石棺不成？然而某位不学无术的俄军指挥官竟然下令在当地挖掘工事，傻傻的鹅子真的就把前辈们牺牲生命埋下去的污染物又给挖出来了。乌军情报部门听说当地俄军得了奇怪的疾病，就派无人机飞过去侦查，然后吓得魂飞魄散。