为什么切尔诺贝利核电站控制棒下端有石墨？
切尔诺贝利核电站的RBMK反应堆，也就是当年出事的那个，它使用的控制棒设计确实比较独特，而且在设计上存在一些先天性的缺陷，这和我们今天常见的核电站控制棒有些不一样。你提到控制棒下端有石墨，这正是RBMK反应堆控制棒一个显著的特征，而且它在事故中扮演了一个非常关键、可以说是灾难性的角色。
咱们先得弄明白，核反应堆里控制棒是干啥的。它的主要作用是吸收中子，从而控制链式反应的速率。就像汽车的刹车一样，多了就减速，少了就加速。通过升降控制棒，可以调节堆芯的功率。
在RBMK反应堆里，控制棒的设计是这样的：它是一根长长的金属管，里面填充了吸收中子的材料，通常是硼（boron）。而你说的石墨，不是在控制棒的“下端”作为吸收材料，而是控制棒的设计原理是，它本身的主体是吸收中子的材料，但是它插入堆芯的时候，有一个关键的设计是：
控制棒插入堆芯的部分，它的尖端（也就是最先进入堆芯的那一段）填充的不是纯粹的硼，而是硼和石墨的混合物，或者是包裹着石墨的硼。
这是为什么呢？这里面涉及到RBMK反应堆的一个非常特别的设计理念，也是它最致命的缺陷之一，叫做“正的空泡系数”。
咱们一点点来说：
1. RBMK反应堆的结构和设计特点：
石墨慢化剂： RBMK反应堆是用石墨来慢化中子的。石墨是一种很好的慢化剂，能够减慢快中子，使其变成热中子，这样更容易引发铀235的裂变。
通道式反应堆： RBMK反应堆是通道式的，也就是说，核燃料不是在一个大的密闭容器里，而是分散在许多独立的通道里。这些通道被石墨包围，冷却剂（水）则在这些通道里流动，带走热量。
优点（理论上）： 这种设计允许它在运行过程中更换燃料，不需要停堆，这在当时被认为是一个优点。而且它使用的低浓缩铀，也降低了燃料成本。
2. 控制棒的“空泡系数”问题：
什么是空泡系数？ 空泡系数是指当冷却剂（水）发生相变，比如沸腾产生蒸汽泡时，对反应堆反应速率的影响。
负空泡系数（好）： 大多数先进的核反应堆设计，特别是压水堆（PWR）或沸水堆（BWR）的后期改进型，都追求“负的空泡系数”。这意味着，如果发生蒸汽泡（空泡），反应会因为中子吸收减少而减弱，从而起到自发冷却和稳定的作用。
正的空泡系数（坏）： RBMK反应堆在特定工况下，表现出“正的空泡系数”。这意味着，当水沸腾产生蒸汽泡时，反而会增强链式反应！这是非常危险的，因为一旦反应开始失控，蒸汽冒得越多，反应越快，形成一个恶性循环。
3. 控制棒尖端石墨的作用（也是缺陷的根源）：
为什么要在控制棒尖端加石墨？ 为了在设计时解决“负的反应性反馈”问题。RBMK反应堆的设计者试图通过这种方式来“补偿”堆芯的一些固有缺陷，比如防止中子泄漏过快。
石墨的“副作用”： 石墨本身对慢化中子有好处，但它对中子的吸收能力很弱。当控制棒完全插入时，尖端那段石墨并不能吸收太多中子。而当控制棒被缓慢拉出时，首先被拉出的是那些吸收中子的硼材料，但留在堆芯里的，是那段低吸收、但却有慢化作用的石墨。
“推挤效应”（The Elevator Effect）： 这是RBMK控制棒设计中最具灾难性的地方。当控制棒被缓慢拉出时，尖端的石墨被先“推入”堆芯，它并没有立即有效地吸收中子，反而会起到一定的慢化作用。更糟糕的是，当操作员尝试快速降低功率时，把控制棒完全插入（而不是缓慢拉出），按照设计，尖端是先插入石墨。而石墨的吸收能力比硼差得多，所以在短暂的瞬间，石墨被插入，而硼被拉出，这导致堆芯内的中子数量反而因为这种“反向运动”而急剧增加。
简单来说，在事故发生前，当操作员试图通过插入控制棒来降低功率时，由于控制棒尖端的石墨设计，它的插入行为首先是“推开”了那些吸收中子的硼，而“送进”了不太吸收中子的石墨。这个过程在最初的一小段距离内，并没有起到预期的减缓反应的作用，反而因为某些物理效应（尤其是与空泡系数的相互作用），导致中子数量迅速增加。
在切尔诺贝利事故当晚，正是因为这种“推挤效应”和“正的空泡系数”的叠加，当操作员进行一项低功率实验，并试图在紧急情况下按下“AZ5”（紧急停堆）按钮时，这个按钮触发了控制棒的快速插入。然而，由于控制棒尖端的石墨设计，它首先插入的部分并没有吸收足够的中子，反而引起了中子通量的急剧增加。与此同时，堆芯内的水因为反应过快而剧烈沸腾，产生大量蒸汽泡，进一步增强了反应（正的空泡系数）。这两个因素叠加，导致了堆芯在极短的时间内功率爆炸式增长，最终引发了两次剧烈的爆炸。
所以，控制棒下端（更准确地说，是插入堆芯的那一段尖端）的石墨，并不是为了吸收中子，恰恰相反，它的存在是RBMK反应堆一个极其危险的设计缺陷，导致了它在特定情况下反而会“加速”反应，最终成为了点燃切尔诺贝利灾难的火种之一。这是一个典型的，设计上的“好心办了坏事”，为了解决一个问题（反馈效应），却引入了一个更致命的陷阱。
咱们先得弄明白，核反应堆里控制棒是干啥的。它的主要作用是吸收中子，从而控制链式反应的速率。就像汽车的刹车一样，多了就减速，少了就加速。通过升降控制棒，可以调节堆芯的功率。
在RBMK反应堆里，控制棒的设计是这样的：它是一根长长的金属管，里面填充了吸收中子的材料，通常是硼（boron）。而你说的石墨，不是在控制棒的“下端”作为吸收材料，而是控制棒的设计原理是，它本身的主体是吸收中子的材料，但是它插入堆芯的时候，有一个关键的设计是：
控制棒插入堆芯的部分，它的尖端（也就是最先进入堆芯的那一段）填充的不是纯粹的硼，而是硼和石墨的混合物，或者是包裹着石墨的硼。
这是为什么呢？这里面涉及到RBMK反应堆的一个非常特别的设计理念，也是它最致命的缺陷之一，叫做“正的空泡系数”。
咱们一点点来说：
1. RBMK反应堆的结构和设计特点：
石墨慢化剂： RBMK反应堆是用石墨来慢化中子的。石墨是一种很好的慢化剂，能够减慢快中子，使其变成热中子，这样更容易引发铀235的裂变。
通道式反应堆： RBMK反应堆是通道式的，也就是说，核燃料不是在一个大的密闭容器里，而是分散在许多独立的通道里。这些通道被石墨包围，冷却剂（水）则在这些通道里流动，带走热量。
优点（理论上）： 这种设计允许它在运行过程中更换燃料，不需要停堆，这在当时被认为是一个优点。而且它使用的低浓缩铀，也降低了燃料成本。
2. 控制棒的“空泡系数”问题：
什么是空泡系数？ 空泡系数是指当冷却剂（水）发生相变，比如沸腾产生蒸汽泡时，对反应堆反应速率的影响。
负空泡系数（好）： 大多数先进的核反应堆设计，特别是压水堆（PWR）或沸水堆（BWR）的后期改进型，都追求“负的空泡系数”。这意味着，如果发生蒸汽泡（空泡），反应会因为中子吸收减少而减弱，从而起到自发冷却和稳定的作用。
正的空泡系数（坏）： RBMK反应堆在特定工况下，表现出“正的空泡系数”。这意味着，当水沸腾产生蒸汽泡时，反而会增强链式反应！这是非常危险的，因为一旦反应开始失控，蒸汽冒得越多，反应越快，形成一个恶性循环。
3. 控制棒尖端石墨的作用（也是缺陷的根源）：
为什么要在控制棒尖端加石墨？ 为了在设计时解决“负的反应性反馈”问题。RBMK反应堆的设计者试图通过这种方式来“补偿”堆芯的一些固有缺陷，比如防止中子泄漏过快。
石墨的“副作用”： 石墨本身对慢化中子有好处，但它对中子的吸收能力很弱。当控制棒完全插入时，尖端那段石墨并不能吸收太多中子。而当控制棒被缓慢拉出时，首先被拉出的是那些吸收中子的硼材料，但留在堆芯里的，是那段低吸收、但却有慢化作用的石墨。
“推挤效应”（The Elevator Effect）： 这是RBMK控制棒设计中最具灾难性的地方。当控制棒被缓慢拉出时，尖端的石墨被先“推入”堆芯，它并没有立即有效地吸收中子，反而会起到一定的慢化作用。更糟糕的是，当操作员尝试快速降低功率时，把控制棒完全插入（而不是缓慢拉出），按照设计，尖端是先插入石墨。而石墨的吸收能力比硼差得多，所以在短暂的瞬间，石墨被插入，而硼被拉出，这导致堆芯内的中子数量反而因为这种“反向运动”而急剧增加。
简单来说，在事故发生前，当操作员试图通过插入控制棒来降低功率时，由于控制棒尖端的石墨设计，它的插入行为首先是“推开”了那些吸收中子的硼，而“送进”了不太吸收中子的石墨。这个过程在最初的一小段距离内，并没有起到预期的减缓反应的作用，反而因为某些物理效应（尤其是与空泡系数的相互作用），导致中子数量迅速增加。
在切尔诺贝利事故当晚，正是因为这种“推挤效应”和“正的空泡系数”的叠加，当操作员进行一项低功率实验，并试图在紧急情况下按下“AZ5”（紧急停堆）按钮时，这个按钮触发了控制棒的快速插入。然而，由于控制棒尖端的石墨设计，它首先插入的部分并没有吸收足够的中子，反而引起了中子通量的急剧增加。与此同时，堆芯内的水因为反应过快而剧烈沸腾，产生大量蒸汽泡，进一步增强了反应（正的空泡系数）。这两个因素叠加，导致了堆芯在极短的时间内功率爆炸式增长，最终引发了两次剧烈的爆炸。
所以，控制棒下端（更准确地说，是插入堆芯的那一段尖端）的石墨，并不是为了吸收中子，恰恰相反，它的存在是RBMK反应堆一个极其危险的设计缺陷，导致了它在特定情况下反而会“加速”反应，最终成为了点燃切尔诺贝利灾难的火种之一。这是一个典型的，设计上的“好心办了坏事”，为了解决一个问题（反馈效应），却引入了一个更致命的陷阱。
网友意见
然后今天看了最后一集，发现他们居然把原因归结于没钱。。。他们想往里填什么，铂金吗。。。
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当控制棒从堆芯中抬起时，会在堆芯中形成一个空挡，没有石墨的话，这个空挡就会被堆芯中的冷却水填充。而由于水对于中子的减速能力比周围设计用来减速中子的石墨低，填充的水导致堆内中子流衰减速率的变化，再加上水在沸腾时不稳定的性质（比如它会冒泡泡），会对反应堆控制造成影响。因此在控制棒底部栓一截石墨，在控制棒完全抬起时，用控制棒底部的石墨替代水来填充这个空挡，会使空挡内的材料与周围的石墨减速剂接近，这样反应堆便更容易控制且效率更高。事实上，真正导致问题的不只是石墨本身。在初始的反应堆设计中，在控制棒完全抬起时，石墨置换剂（就是那一节石墨，长度比堆芯的高度稍矮）处于堆芯的中心，上下各有一部分被水填充的空挡。在控制棒向下插入的过程中，置换棒下的水被排出并被石墨填充，才会造成底部反应速率暂时加快。另外，这一变化的显著性会受到反应堆运行状况的影响，所以不容易被发现和研究改进（可能也促使了之前相关的报告没有得到重视）。在事故后的改进当中，石墨置换剂被移到了靠下的位置，在完全抬起控制棒时它会与堆芯底部齐平并在顶部留有被水填充的空挡，便不会有排出控制棒下的水造成的问题了。
参考资料：https://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub913e_web.pdf，https://en.wikipedia.org/wiki/RBMK
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