核泄漏污染環境、氫彈毀滅世界!假如核聚變堆失控,會炸翻地球?

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  氫彈的威力大家都知道了,大名鼎鼎的“大伊萬”氫彈如雷貫耳!1986年發生的切爾諾貝利核事故則讓大家見識了核反應堆泄漏的后果的有多嚴重!正在如火如荼建設的國際熱核核聚變反應堆,它的原理和氫彈也沒啥區別,假如它失控,是不是地球都會被炸上天?

  

  核反應堆都是什么原理,為什么它們出事故會那么厲害?

  我們常說的核反應堆指的就是裂變堆,一般都是利用鈾235的裂變產生的巨大能量將水加熱到高壓蒸汽,最后推動汽輪機帶動發電機發出電能!為什么它泄露會有重大污染,那么必須要來了解下它的原理!

  

  核裂變最早是由核裂變是由莉澤·邁特納、奧托·哈恩、弗里茨·施特拉斯曼及奧托·羅伯特·弗里施等科學家在1938年發現的,它的原理其實挺簡單,是重原子核裂變成較輕的原子核,并且在這個過程中會產生輕微的質量損失,這些損失的質量可以由質能方程E=MC計算得到,由于光速是一個非常龐大的數字,因此即使損失一點點質量,也會產生強大的能量!

  

  鈾-235裂變示意圖

  果只是這樣的話,那核裂變能絕壁是一個優秀的能量來源方式,但核裂變的方式并不只是虧損質量,同時它也會產生大量的污染!上圖時鈾-235裂變示意圖,一個鈾-235原子受到一顆熱中子轟擊時會分裂成鋇-141和氪-92,同時它也會釋放出2-3顆中子!這個中子非常關鍵,它的作用如下:

  核裂變反應堆需要熱中子來維持鏈式裂變,因為鈾-235裂變需要中子來維持裂變,而鈾-235原子裂變時會釋放出2-3個,這表示中子增值效應是滿足持續裂變需求的,只是要將裂變的快中子用減速劑減速成慢中子,那樣鈾-235才容易吸收持續裂變!

  

  另一個問題則是中子的危害,盡管我們身體中的原子核組成中也有中子,但自由中子危害極大,它能對DNA直接造成損傷,還能引發次生輻射,并且它不是帶電粒子,無法用磁場屏蔽,只能用厚厚的鉛板或者其它能擋住中子的材料!

  

  鈾的衰變

  上述是中子的用途和危害,但和裂變堆中并不只是中子,除中子外還有危害很大的伽馬射線,當然αβ射線也是少不了的,它們在會在裂變和衰變過程中產生,因為核裂變后的元素的衰變鏈會持續產生這些輻射,所以核裂變如果不注意防護,它的危害是非常大的!

  

  切爾諾貝利核事故

  1986年4月26,位于烏克蘭切爾諾貝利的核電站4號反應堆在測試時由于操作人員失誤,關閉了一系列保護措施,最終核反應堆功率大增,并且還關閉了緊急核心冷卻系統和區域自動控制系統以及緊急停機系統,結果核反應堆壓力大增,引發的第一次爆炸直接將核反應堆外殼炸了個大洞!而第二次爆炸更是將堆芯直接炸散了!

  

  爆炸的4號反應堆

  高濃度的核反應堆內的放射性直接被拋入了大氣層,而且蒸汽和燃燒的煙塵則加劇了這個過程,難以計數的放射性物質通過高層大氣的流動,覆蓋了前蘇聯部分地區和歐洲大部地區。這是有史以來危害最大的核事故,國際核事件分級表評為最高第七級事件的特大事故!

  

  2011年3月11日,福島第一核電站因為311大地震導致設備損壞,堆芯融毀和大量輻射物質釋放的核事故,另外還有大量受到放射性核污染的冷卻水大量排入太平洋,它的深層次危害可能比切爾諾貝利還要嚴重,因為污染的是連接全世界的太平洋!

  

  氫彈的爆炸就是核聚變,那么核聚變堆失控會把地球炸上天嗎?

  我們見識了核裂變堆泄漏時那強大危害,更知道氫彈的威力,盡管核聚變堆還沒造出來,但要是聚變堆像氫彈一樣比核裂變泄漏更危險,那可如何是好?要知道威力有多大,那么也得從聚變和氫彈的原理開始說起!

  

  聚變說起來比裂變更簡單,它是澳大利亞核物理學家馬克·歐力峰發現的,簡單的說就是兩個輕原子核結合變成一顆更重的原子核,而質量虧損也會在整個過程中發生,但它的質量虧損比例大約是裂變時的8-10倍左右!因此氫彈的威力要比原子彈大得多,但真正的原因卻不在此!

  

  氘和氚的聚變過程

  看起來極其簡單的核聚變,但實現卻需要數千萬到上億度的高溫,人類根本就無法達到整個溫度,因此在原子彈發明以后,科學家想到了用原子彈的爆炸來達到超高溫高壓的環境!當然氫彈引爆的模型十分復雜,據說全世界只有兩種構型能讓氫彈爆炸,一種是泰勒構型,另一種是于敏構型,我們不管是哪種模式,氫彈的威力很大就是了!

  

  原子彈的核裝藥存在臨界質量,因此準備裂變的核材料必須以復雜的結構分散布置,而在炸散前以盡量多的裝藥裂變是關鍵(廣島原子彈裝藥二十幾千克,只有一千克參與了裂變,產生了一克的質量虧損,威力2萬噸TNT當量)!因此原子彈往往當量存在上限,一般50萬噸TNT當量以上就很難了!但氫彈不存在整個瓶頸,所以氫彈的威力幾乎是無窮的。

  

  原子彈兩種典型結構

  全世界威力最大的氫彈是前蘇聯在新地島試爆的“大伊萬”氫彈,原本爆炸威力相當于一億噸TNT,但科學家計算后發現,其爆炸影響范圍內有人居住,因此減少裝藥將威力下降到5000萬噸,實際威力大約為5800萬噸!

  

  大伊萬(沙皇炸彈)爆炸地點

  這顆氫彈的核裝藥聚變時間38納秒,釋放出了21萬太焦耳的能量,產生的火球半徑達4600米,爆炸的熱氣浪在170千米外仍然殺傷力,爆炸產生的電磁脈沖導致無線電中斷一個多小時!它的威力是通古斯大爆炸的2.5倍以上!

  

  核聚變堆如果失控會炸翻地球嗎?

  我們見識了裂變堆的失控,也見識了氫彈的爆炸,那么和氫彈原理一樣的聚變堆失控會很危險嗎?國際熱核聚變堆是十幾個國家準備突破商業核聚變的實驗堆,它的結構是托卡馬克(典型的磁約束,仿星器也是磁約束,國家點火裝置是慣性約束)!

  

  托卡馬克結構

  因為用來發電,所以它無法用原子彈引爆的方式來實現聚變,其原理是利用超導磁體產生的超強磁場將氘氚的等離子體約束在真空腔內,再利用特殊的加熱方式,讓其達到5000千萬到上億度,以達到氘氚聚變的目的!

  

  氘氚聚變也會產生難以控制的中子,它會導致元素嬗變,因此再核聚變堆內有一個第一壁就是防止中子亂竄的,同時第一壁接受的熱輻射將會被散熱管道引導出來,加熱水形成高壓蒸汽推動汽輪機發電!

  

  再托卡馬克超導腔內,狂暴的等離子體被一個超級變壓器形成磁場控制,但等離子體控制難度極高,因此當前各國的實驗都是以控制高溫等離子體更久時間為目標,但即使如此,等離子體仍然非常容易破裂,一旦失控,超高溫等離子體將會破壞第一壁,竄出的超高溫等離子體將會繼續破壞超導腔和其它設備。但它不會形成規模性的爆炸!

  

  因為它不像裂變堆,如果失控的話可能會形成失控的鏈式反應(控制棒無法插入吸收中子等),或者衰變物質大量進入大氣層,聚變堆需要超高溫加熱以及磁場約束下聚變的,一旦失去這個約束條件,那么最后的那團等離子體所包含的就是它所有的能量!

  

  因此在這種狀態下,它的破壞力是極其有限的!最大的可能就是聚變堆損壞,需要大量資金維修,但像核裂變堆那樣的毀滅性破壞是不會有的,可能會引起少許的嬗變材料輻射影響,但非常有限!

  

  所以各位還是可以放心,如果熱核聚變堆失控了,它也不會讓地球飛上天,當然慣性約束的聚變堆盡管原理有些不一樣,但同樣不會!

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