工业2实验版核电站为什么会爆炸
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长期以来，有人用啤酒点不着而白酒点得着来形容核反应堆和核武器的区别，来试图说明核电的安全性，这实际上并不是完全恰当的——核反应堆和核武器释放能量方式的区别，并不完全决定于核燃料中铀235、钚239这样的裂变材料的富集度。在快堆和某些实验堆中，核燃料的富集度比核电站高得多，达到20%甚至更高，而一些为了满足高中子通量或高功率密度要求的实验堆、海军核动力反应堆，使用铀235富集度在90%以上的核燃料也不罕见——这种高富集度燃料很不利于防止核扩散，目前国际原子能机构所极力希望进行技术替代。
众所周知，核反应堆和核武器都是通过链式反应来进行的。链式反应很好理解。被中子轰击的重原子核分裂成两个（在少数情况下，可分裂成3个或更多）质量相近的碎片的现象称为原子核的裂变。对于易裂变的原子核（铀235、铀233、钚239）每次裂变可以平均释放出大约200MeV左右的能量和2.5～3个中子。如果新产生的中子又将引起其他的易裂变核发生裂变，从而形成了一个自动持续的反应链，这就是链式反应。
但是链式反应实际上包含三个条件：易裂变核、裂变释放出更多中子、新产生的中子能够引起其他的核再发生裂变。这三个条件缺一不可，比如铀238也能裂变并且也能放出中子，但是它裂变有中子能量的限制，放出的中子不会引发其他铀238核的裂变，所以铀238做不了核武器装药，好在铀238吸收中子之后可以经过两次衰变，转变成易裂变的钚239，也就是说铀238可以作为一种转换材料在反应堆中得到部分利用——当然这个过程也被可以用来生产作为核武器原料钚239，只是在工程上和核电有一定区别。
中子在一个核反应堆当中有可能泄漏出去，也有可能被其他物质（比如结构材料、冷却剂、慢化剂）的原子核吸收，也有可能被易裂变原子核的（n,γ）吸收而不引起裂变，也有可能被吸收后引发易裂变原子核的裂变。前三者情况下会减少中子数量，后一种情况下会引起中子的增加，增加1.5～2个，这个增加的过程扣掉前面被减少的中子，就得到每次裂变反应产生的次级中子数量，通常用k表示，实际上就是相邻两代中子增殖的倍数。这个数值实际上分成了三种情况：
1.如果每次裂变反应产生的次级中子平均有一个能引起下一级的核裂变反应（k=1），则链式反应就可以自行维持下去，这种情况称自持链式裂变反应，与此对应的裂变系统的状态就称为临界状态，临界状态是核反应堆的正常工作状态。
2.如果每次裂变反应产生的次级中子平均有一个以上能引起下一级的核裂变反应（k>1），则裂变反应的规模将越来越大，这就叫发散型链式裂变反应，与其对应的裂变系统的状态称为超临界状态，超临界状态是裂变武器核爆炸时所处的状态。
3.如果每次裂变反应产生的次级中子平均不到一个能引起下一级的裂变反应（k<1），则裂变反应的规模就将越来越小，直到反应终止，这样的链式裂变反应称为收敛型链式裂变反应，与其对应的裂变系统的状态称为次临界状态。
但是临界状态是如何维持的呢，要知道绝大部分的裂变反应释放出来的中子是非常迅速的，是在10^-4～10^-3秒内释放出来的，即使K值仅仅超过1一点点，哪怕0.001，在很短时间内指数级增长下功率也会增加很多倍。所幸的是还有比例约0.65%的中子是缓发中子（U235的裂变中），缓发中子是在原子核分裂后延时数秒至数十秒才由碎片原子核释放出来的。正是这0.65%的中子使得我们可以踩在这个k=1的钢丝上面。如果没有缓发中子，那么反应堆中的下一代中子全部为瞬发中子，那么引入极小的扰动，也会使得反应堆功率很短的时间内功率暴增或者彻底熄火。这个可以通过简单的微分方程就可以计算其巨大的差异，如果不存在缓发中子，0.001的扰动就足以使得反应堆在一秒内暴增数万倍功率，而缓发中子的作用使其实际只变化1%，在这种变化率下我们可以有效地进行控制。
利用缓发中子维持临界水平，是核反应堆区别与核武器的最本质区别，这更类似于在灶台上点燃天然气和天然气泄漏后爆炸的区别。那么当一座核反应堆进入到仅靠瞬发中子就足以维持临界的情况下，功率毫无疑问将会暴增，那么能否引起一次核爆炸呢。
这方面倒是有个例子，切尔诺贝利核电站4号反应堆就是由于反应堆设计缺陷和运行试验人员的违规操作进入了这种危险的状态（超-瞬发中子临界）而造成失控，反应堆功率暴增，并引发了蒸汽爆炸和化学爆炸，堆芯解体，释放了大量放射性物质进入环境，造成了巨大的财产和生命损失，引发了长期的环境与公共健康问题。
这个时候，啤酒和酒精的比喻可以派上用场了。对于任何反应堆，为了导出核反应堆释放的巨大能量，都需要冷却剂，并且需要结构材料保持堆芯的结构，使冷却剂来有效地冷却燃料。而对于常规的商用压水堆核电站，使用的核燃料富集度不高只有3.3～5%，对于重水堆和石墨水冷堆，甚至可以使用天然铀作为核燃料。在大量可转换材料、结构材料、冷却剂的存在下，即使恶意地导入了很大的正反应性（比如在临界状态拔出了全部控制棒)，反应堆当中还有相当的其他物质对中子产生影响，在通常情况下，出于安全的考虑，这种影响被严格设计，以保证对反应堆的中子通量、功率、温度形成负反馈。即使一定的正反应性被引入，也可以被负反馈控制在一定范围内，保证反应堆结构和放射性物质边界的安全性，这是一个固有安全性要求原则。
切尔诺贝利之所以发生事故，很大的原因由于一个设计缺陷：切尔诺贝利的核反应堆在于低功率的时候，存在正的空泡反应系数，也就是说水沸腾形成的空泡对反应堆功率形成了正反馈。这个缺陷是反应堆设计当中本应极力避免的，切尔诺贝利核电站的运行规程也不允许反应堆在低功率下长期运行，但是实际操作过程中操作人员还犯了其他几个错误，加剧了这种正反馈。
（补一句题外的，压水堆和沸水堆有固有负反应性温度反馈特性和专设安全设施, 类似切尔诺贝利的堆芯解体事故发生在压水堆中的可能性极小，人们更担心由于冷却剂或热阱丧失导致的堆芯熔化事故，比如三里岛和福岛曾经发生的那样）。
那么当一个使用比较高浓度的核燃料和快中子谱的核反应堆进入超瞬发临界，并且我们切断了冷却剂的供应，使得反应堆中尽可能都是核燃料，它为什么不能算一颗核弹呢，就好象《环太平洋》里面核动力机器人自爆那样？
我们来讲一个不太相干的故事，这是用来描述指数增长的一个典型。水葫芦覆盖池塘的面积每天可增加原来的一倍，它会在第20天覆盖满整个池塘，而你最多只能在一天内清除1/2池塘的水葫芦，那么拯救池塘的最晚一天是那一天？答案是长满池塘的前一天。
链式反应也类似：一颗原子弹的爆炸过程中，如果每次链式反应释放出2.2个中子（相当于1.2倍的中子增殖代数），那么从第一代中子开始，到裂变0.1kg核材料（2000吨当量）需要286代中子，时间大约2.86微秒，到释放出20000吨当量，需要的中子代数是299代，时间2.99微秒.时间仅仅增加了0.13微秒，释放的能量增加了9倍，也就是90%的能量是在这最后0.13毫秒释放出来的。这些能量如此巨大和集中，以至于核武器和周围的空气等物质都被加热成为温度极高的等离子体，这个等离子体火球对高温辐射不透明，甚至影响了能量的辐射传播，不得不引入了全新的辐射流体力学来描述核爆炸初期的能量传播过程——没有这个过程，是不能算核爆炸的。
所以裂变核武器的设计，除了增加中子增殖的倍数之外（使用高纯度容易裂变的核材料），就是要约束核武器中核材料的超临界状态更长，为此往往采用炸药加速核材料高速撞击或者炸药爆炸的冲击波来把核材料压缩，以此维持更长的超临界时间——然后核反应堆巨大能量会把没反应完的核材料被炸飞，约束时间越长，核材料的利用效率越高。在普通的原子弹中，核材料的利用率是很低的：在广岛原子弹中使用90kg的铀235，用100kg的TNT炸药驱动加速撞击，只有1kg发生了裂变，利用率只有1.1%；长崎原子弹采用效率更高的内爆压缩方法，钚的利用率也只有1/6，剩下的核材料则被巨大的能量炸飞了。
在曼哈顿工程的初期，美国科学家曾经设想使用较低富集度的铀和氢化物慢化剂（比如氢化锆）来制造核武器，但是他们很快就发现的这个问题，首先K值不够大，其次这样的一个失控反应堆式的东西太大，很难用强制约束的方法维持超临界状态，很快就会解体掉，如果是较小的纯核材料物质，就可以用炸药来加速或者压缩。于是工作的中心迅速的转移到铀235的进一步浓缩、钚239的生产和使用这些高富集材料的核武器结构设计上去了。
从上面的分析可以看出，核反应堆不可能发生真正的核爆炸。即使切尔诺贝利这样的超瞬发临界事故中，反应堆内依然有大量不可裂变的物质，核反应堆的K值决定其即使失控也不会达到核武器那样大的功率，即使是快堆或者高燃料富集度的舰用堆，都有相当的结构材料、冷却剂存在于堆芯之中。
再回到前面的提问，一个采用高燃料富集度的快中子反应堆当中发生失控的最严重后果是什么呢？这个问题是当年欧洲公众关于发展快堆的安全性忧虑之一，毕竟快堆核电站的燃料富集度比压水堆一类的高得多。当一个功率比较大的快中子反应堆堆芯解体事故情形下，也会释放出很大的能量的。由于失控的反应堆远没有类似核武器引爆过程中炸药爆轰波那样的约束力，很快会由于反应堆的解体而中止能量的释放，所以能量和核弹不能比，不过由于快堆的高富集度和高功率密度，后果还是很严重，在工程上也是需要考虑。在法国设计“超凤凰快堆”曾经计算了反应堆完全失控的后果，超凤凰快堆使用30%～40%钚浓度的高富集燃料，热功率约2760MW，当反应堆完全失控时，会释放出相当于 130吨TNT爆炸的当量，为了对抗这种最不利的情况，法国工程师门设计了双重安全壳，内层安全壳可以抵抗190吨炸药的爆炸。这个能量级别在核武器的设计中则完全是失败的，核武器设计者称之为“扑哧”（即使这样只能“扑哧”的核弹，也是恐怖份子和小国所能造出来的最接近核武器的东西，依然会造成严重的污染，又被称之为“脏弹”）——当然一旦发生这样的严重事故，对于核反应的设计、操作人员来说也是巨大的失败。
虽然反应堆失控不会像核爆炸那样具备毁灭性，但是如果反应堆内部的大量放射性物质因此被释放到环境中（正如切尔诺贝利和福岛核事故所发生的那样），后果仍然极为严重的。核反应堆的乏燃料中含有的放射性物质量比大多数核爆炸之后的残留总量要大，其造成的环境危害可能更加持久和巨大。因此一般反应堆设计有安全壳，用于滞留严重事故的放射性泄漏——但安全壳也存在严重事故下被损坏的可能性，比如福岛的氢气爆炸情形（现在主要通过氢复合器来避免氢气爆炸），因此核电界对严重事故的研究一直在进行，试图设计更安全的核电站。
众所周知，核反应堆和核武器都是通过链式反应来进行的。链式反应很好理解。被中子轰击的重原子核分裂成两个（在少数情况下，可分裂成3个或更多）质量相近的碎片的现象称为原子核的裂变。对于易裂变的原子核（铀235、铀233、钚239）每次裂变可以平均释放出大约200MeV左右的能量和2.5～3个中子。如果新产生的中子又将引起其他的易裂变核发生裂变，从而形成了一个自动持续的反应链，这就是链式反应。
但是链式反应实际上包含三个条件：易裂变核、裂变释放出更多中子、新产生的中子能够引起其他的核再发生裂变。这三个条件缺一不可，比如铀238也能裂变并且也能放出中子，但是它裂变有中子能量的限制，放出的中子不会引发其他铀238核的裂变，所以铀238做不了核武器装药，好在铀238吸收中子之后可以经过两次衰变，转变成易裂变的钚239，也就是说铀238可以作为一种转换材料在反应堆中得到部分利用——当然这个过程也被可以用来生产作为核武器原料钚239，只是在工程上和核电有一定区别。
中子在一个核反应堆当中有可能泄漏出去，也有可能被其他物质（比如结构材料、冷却剂、慢化剂）的原子核吸收，也有可能被易裂变原子核的（n,γ）吸收而不引起裂变，也有可能被吸收后引发易裂变原子核的裂变。前三者情况下会减少中子数量，后一种情况下会引起中子的增加，增加1.5～2个，这个增加的过程扣掉前面被减少的中子，就得到每次裂变反应产生的次级中子数量，通常用k表示，实际上就是相邻两代中子增殖的倍数。这个数值实际上分成了三种情况：
1.如果每次裂变反应产生的次级中子平均有一个能引起下一级的核裂变反应（k=1），则链式反应就可以自行维持下去，这种情况称自持链式裂变反应，与此对应的裂变系统的状态就称为临界状态，临界状态是核反应堆的正常工作状态。
2.如果每次裂变反应产生的次级中子平均有一个以上能引起下一级的核裂变反应（k>1），则裂变反应的规模将越来越大，这就叫发散型链式裂变反应，与其对应的裂变系统的状态称为超临界状态，超临界状态是裂变武器核爆炸时所处的状态。
3.如果每次裂变反应产生的次级中子平均不到一个能引起下一级的裂变反应（k<1），则裂变反应的规模就将越来越小，直到反应终止，这样的链式裂变反应称为收敛型链式裂变反应，与其对应的裂变系统的状态称为次临界状态。
但是临界状态是如何维持的呢，要知道绝大部分的裂变反应释放出来的中子是非常迅速的，是在10^-4～10^-3秒内释放出来的，即使K值仅仅超过1一点点，哪怕0.001，在很短时间内指数级增长下功率也会增加很多倍。所幸的是还有比例约0.65%的中子是缓发中子（U235的裂变中），缓发中子是在原子核分裂后延时数秒至数十秒才由碎片原子核释放出来的。正是这0.65%的中子使得我们可以踩在这个k=1的钢丝上面。如果没有缓发中子，那么反应堆中的下一代中子全部为瞬发中子，那么引入极小的扰动，也会使得反应堆功率很短的时间内功率暴增或者彻底熄火。这个可以通过简单的微分方程就可以计算其巨大的差异，如果不存在缓发中子，0.001的扰动就足以使得反应堆在一秒内暴增数万倍功率，而缓发中子的作用使其实际只变化1%，在这种变化率下我们可以有效地进行控制。
利用缓发中子维持临界水平，是核反应堆区别与核武器的最本质区别，这更类似于在灶台上点燃天然气和天然气泄漏后爆炸的区别。那么当一座核反应堆进入到仅靠瞬发中子就足以维持临界的情况下，功率毫无疑问将会暴增，那么能否引起一次核爆炸呢。
这方面倒是有个例子，切尔诺贝利核电站4号反应堆就是由于反应堆设计缺陷和运行试验人员的违规操作进入了这种危险的状态（超-瞬发中子临界）而造成失控，反应堆功率暴增，并引发了蒸汽爆炸和化学爆炸，堆芯解体，释放了大量放射性物质进入环境，造成了巨大的财产和生命损失，引发了长期的环境与公共健康问题。
这个时候，啤酒和酒精的比喻可以派上用场了。对于任何反应堆，为了导出核反应堆释放的巨大能量，都需要冷却剂，并且需要结构材料保持堆芯的结构，使冷却剂来有效地冷却燃料。而对于常规的商用压水堆核电站，使用的核燃料富集度不高只有3.3～5%，对于重水堆和石墨水冷堆，甚至可以使用天然铀作为核燃料。在大量可转换材料、结构材料、冷却剂的存在下，即使恶意地导入了很大的正反应性（比如在临界状态拔出了全部控制棒)，反应堆当中还有相当的其他物质对中子产生影响，在通常情况下，出于安全的考虑，这种影响被严格设计，以保证对反应堆的中子通量、功率、温度形成负反馈。即使一定的正反应性被引入，也可以被负反馈控制在一定范围内，保证反应堆结构和放射性物质边界的安全性，这是一个固有安全性要求原则。
切尔诺贝利之所以发生事故，很大的原因由于一个设计缺陷：切尔诺贝利的核反应堆在于低功率的时候，存在正的空泡反应系数，也就是说水沸腾形成的空泡对反应堆功率形成了正反馈。这个缺陷是反应堆设计当中本应极力避免的，切尔诺贝利核电站的运行规程也不允许反应堆在低功率下长期运行，但是实际操作过程中操作人员还犯了其他几个错误，加剧了这种正反馈。
（补一句题外的，压水堆和沸水堆有固有负反应性温度反馈特性和专设安全设施, 类似切尔诺贝利的堆芯解体事故发生在压水堆中的可能性极小，人们更担心由于冷却剂或热阱丧失导致的堆芯熔化事故，比如三里岛和福岛曾经发生的那样）。
那么当一个使用比较高浓度的核燃料和快中子谱的核反应堆进入超瞬发临界，并且我们切断了冷却剂的供应，使得反应堆中尽可能都是核燃料，它为什么不能算一颗核弹呢，就好象《环太平洋》里面核动力机器人自爆那样？
我们来讲一个不太相干的故事，这是用来描述指数增长的一个典型。水葫芦覆盖池塘的面积每天可增加原来的一倍，它会在第20天覆盖满整个池塘，而你最多只能在一天内清除1/2池塘的水葫芦，那么拯救池塘的最晚一天是那一天？答案是长满池塘的前一天。
链式反应也类似：一颗原子弹的爆炸过程中，如果每次链式反应释放出2.2个中子（相当于1.2倍的中子增殖代数），那么从第一代中子开始，到裂变0.1kg核材料（2000吨当量）需要286代中子，时间大约2.86微秒，到释放出20000吨当量，需要的中子代数是299代，时间2.99微秒.时间仅仅增加了0.13微秒，释放的能量增加了9倍，也就是90%的能量是在这最后0.13毫秒释放出来的。这些能量如此巨大和集中，以至于核武器和周围的空气等物质都被加热成为温度极高的等离子体，这个等离子体火球对高温辐射不透明，甚至影响了能量的辐射传播，不得不引入了全新的辐射流体力学来描述核爆炸初期的能量传播过程——没有这个过程，是不能算核爆炸的。
所以裂变核武器的设计，除了增加中子增殖的倍数之外（使用高纯度容易裂变的核材料），就是要约束核武器中核材料的超临界状态更长，为此往往采用炸药加速核材料高速撞击或者炸药爆炸的冲击波来把核材料压缩，以此维持更长的超临界时间——然后核反应堆巨大能量会把没反应完的核材料被炸飞，约束时间越长，核材料的利用效率越高。在普通的原子弹中，核材料的利用率是很低的：在广岛原子弹中使用90kg的铀235，用100kg的TNT炸药驱动加速撞击，只有1kg发生了裂变，利用率只有1.1%；长崎原子弹采用效率更高的内爆压缩方法，钚的利用率也只有1/6，剩下的核材料则被巨大的能量炸飞了。
在曼哈顿工程的初期，美国科学家曾经设想使用较低富集度的铀和氢化物慢化剂（比如氢化锆）来制造核武器，但是他们很快就发现的这个问题，首先K值不够大，其次这样的一个失控反应堆式的东西太大，很难用强制约束的方法维持超临界状态，很快就会解体掉，如果是较小的纯核材料物质，就可以用炸药来加速或者压缩。于是工作的中心迅速的转移到铀235的进一步浓缩、钚239的生产和使用这些高富集材料的核武器结构设计上去了。
从上面的分析可以看出，核反应堆不可能发生真正的核爆炸。即使切尔诺贝利这样的超瞬发临界事故中，反应堆内依然有大量不可裂变的物质，核反应堆的K值决定其即使失控也不会达到核武器那样大的功率，即使是快堆或者高燃料富集度的舰用堆，都有相当的结构材料、冷却剂存在于堆芯之中。
再回到前面的提问，一个采用高燃料富集度的快中子反应堆当中发生失控的最严重后果是什么呢？这个问题是当年欧洲公众关于发展快堆的安全性忧虑之一，毕竟快堆核电站的燃料富集度比压水堆一类的高得多。当一个功率比较大的快中子反应堆堆芯解体事故情形下，也会释放出很大的能量的。由于失控的反应堆远没有类似核武器引爆过程中炸药爆轰波那样的约束力，很快会由于反应堆的解体而中止能量的释放，所以能量和核弹不能比，不过由于快堆的高富集度和高功率密度，后果还是很严重，在工程上也是需要考虑。在法国设计“超凤凰快堆”曾经计算了反应堆完全失控的后果，超凤凰快堆使用30%～40%钚浓度的高富集燃料，热功率约2760MW，当反应堆完全失控时，会释放出相当于 130吨TNT爆炸的当量，为了对抗这种最不利的情况，法国工程师门设计了双重安全壳，内层安全壳可以抵抗190吨炸药的爆炸。这个能量级别在核武器的设计中则完全是失败的，核武器设计者称之为“扑哧”（即使这样只能“扑哧”的核弹，也是恐怖份子和小国所能造出来的最接近核武器的东西，依然会造成严重的污染，又被称之为“脏弹”）——当然一旦发生这样的严重事故，对于核反应的设计、操作人员来说也是巨大的失败。
虽然反应堆失控不会像核爆炸那样具备毁灭性，但是如果反应堆内部的大量放射性物质因此被释放到环境中（正如切尔诺贝利和福岛核事故所发生的那样），后果仍然极为严重的。核反应堆的乏燃料中含有的放射性物质量比大多数核爆炸之后的残留总量要大，其造成的环境危害可能更加持久和巨大。因此一般反应堆设计有安全壳，用于滞留严重事故的放射性泄漏——但安全壳也存在严重事故下被损坏的可能性，比如福岛的氢气爆炸情形（现在主要通过氢复合器来避免氢气爆炸），因此核电界对严重事故的研究一直在进行，试图设计更安全的核电站。
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