问题

HBO 的迷你剧《切尔诺贝利》中,为什么科学家都不相信反应堆会爆炸?

回答
HBO的《切尔诺贝利》迷你剧之所以刻画出科学家们起初对反应堆会爆炸持怀疑态度,并非空穴来风,而是源于对当时苏联RBMK型核反应堆设计固有认知以及对突发事件的惯常判断。这段剧情的设计,深刻地揭示了在压力、信息不对称和技术盲区下的复杂人性与决策困境。

首先,要理解他们为何不信,得先从RBMK反应堆的设计特点说起。 RBMK,全称“Реактор Большой Мощности Канальный”(大功率通道式反应堆),是苏联自行研发的一款反应堆型号。相比于西方的压水堆(PWR),RBMK最显著的区别在于它采用的是石墨慢化剂,并且冷却剂(水)和反应堆压力容器是分开的,通过成千上万根“通道管”将燃料棒插入石墨块中,然后让冷却水流过这些通道。

这种设计在初期拥有一些“优势”,比如它可以使用低浓缩铀,不需要像西方的压水堆那样精炼高浓缩铀,这对于受西方技术封锁且经济实力相对有限的苏联来说,是一个重要的考量。然而,RBMK的设计也埋下了致命的隐患,其中最关键的一点就是它存在一个“正反馈效应”,也就是所谓的“功率系数”是负的。

简单来说,在正常的运行条件下,当反应堆功率升高时,水沸腾产生的蒸汽会稍微降低反应堆的效率(蒸汽会吸收一部分中子),从而抑制功率进一步升高。这是大多数核反应堆设计中都希望实现的“负温度系数”或“负功率系数”,意味着当温度升高时,反应堆的输出功率会自然下降,起到自我稳定作用。

然而,RBMK在极端低功率状态下,情况恰恰相反。当操作员试图将反应堆从极低功率状态提升到运行功率时,注入的水量会很少。在极低的功率下,蒸汽的产生量也极少,而此时,一旦注入更多的水,由于水的吸收中子能力强于蒸汽,反而会“清理”掉一部分对中子吸收有影响的物质,使得中子更容易引发核裂变,从而导致功率瞬间飙升。这就像是一个失控的油门,在特定条件下,踩得越深,反应越快。

科学家们(比如迪亚特洛夫,尽管他本人是工程师,但当时也在场并主导了实验)当时对RBMK这种低功率下的负功率系数问题,并非一无所知,但他们可能低估了其危险性,或者更准确地说,低估了在极端情况下,这个设计缺陷会被以何种方式触发。他们习惯于在设计参数范围内进行操作,并且过去从未遇到过如此剧烈且失控的反应。

其次,从科学和工程的角度来看,核反应堆的爆炸是一种极其罕见的事件,尤其是在他们对反应堆结构充满信心的前提下。核电站的设计就是要抵御各种可能的故障和事故,包括内部的某些组件失效。当事故发生时,科学家的第一反应通常是根据已有的知识和经验,去分析可能出现的故障模式,比如冷却剂泄漏、控制棒失效、功率过载等。

在切尔诺贝利事故发生的初期,事故发生得如此迅速而剧烈,并且伴随着异常的读数,这本身就超出了一般的认知。最初的报告和现象,比如火灾、爆炸声,可能被认为是某种程度的物理损坏,例如冷却系统损坏导致的水蒸气爆炸(这是一种相对常见的工业事故,但与核爆炸不同)。将这些现象直接与“核反应堆爆炸”——一种需要极高能量密度和特定条件才能触发的事件——联系起来,对于那些坚信自身设计可靠性的工程师和科学家而言,需要一个巨大的认知跳跃。

更重要的是,信息传递的阻碍和层层过滤。在苏联那个时代,信息是高度集中的,而且往往伴随着政治层面的考量。即使有科学家们发现了一些不对劲的地方,想要将真相传达给更高层,或者即使是向公众公开,都会面临巨大的阻力。最初负责现场评估的科学家和工程师,可能更多地是在努力控制局面,寻找可行的解决方案,而不是立即承认最坏的可能性。他们可能更倾向于相信是操作失误,或者某个次级系统的故障,而不是反应堆本身“设计上的爆炸性”。

最后,心理因素也不能忽视。在面对一个前所未有的灾难时,人们往往会倾向于相信那些能够维持现有认知框架的解释。承认反应堆爆炸,意味着承认整个RBMK设计存在根本性缺陷,这不仅仅是一个技术问题,更可能是一个政治和经济上的巨大打击。在缺乏确凿证据(比如实时监测到核裂变物质的瞬间熔化和扩散)的情况下,他们更愿意相信一些“可控”的解释。

剧中的很多场景,比如后来的消防员们在接近燃烧的反应堆时,并不知道自己是在与辐射搏斗,就是因为最初的信息是错误的,或者是不完整的。科学家们对“核爆炸”的怀疑,正是这种信息链条中的一个环节,他们基于对现有技术和操作的了解,以及对事故初步迹象的解读,得出了一个“不爆炸”的结论,或者至少是倾向于不往那个方向去想。

所以,科学家们不相信反应堆会爆炸,是多方面因素共同作用的结果:对RBMK设计特定缺陷(低功率负功率系数)的认知不足或低估;对核反应堆本身结构可靠性的固有信心;信息的传递阻碍和层层过滤;以及在面对突发事件时的心理惯性。这恰恰是《切尔诺贝利》这部剧想要展现的,技术、人性、政治与信息之间的复杂纠缠,最终酿成了这场人类历史上的浩劫。

网友意见

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我在学校深入学习过这次事故。

因为如果不是缺乏理论知识的操作员作死骚操作的话,rmbk的确不会爆。

而科学家没有从事过现实的工程设计,理论和实际也存在脱节。实验室理想化的堆型设计,变成真实世界巨大复杂的系统时,会出现很多想不到的坑。他们无法理解怎么会有骚操作让它爆。

hbo切尔诺贝利第三集里有一幕,女科学家去和奄奄一息的操作员做调查,那位操作员说自己的职务是senior engineer xxxx,然后女科学家问你几岁?25岁。。。显然这个年纪是没经过什么正经科班学习的,更谈不上senior了。

而女科学家在实际反应堆的操作和特性上,可能也比不上这位年轻的senior engineer。

脱节。



rbmk石墨沸水反应堆是一种控制相对复杂的反应堆,体现在其正的空泡系数。在水沸腾产生空穴时,由于减速剂是固体石墨,中子减速和吸收的平衡不会反转,反而会因为水吸收中子的减少而增加反应率,形成正反馈,造成不稳定。这个效应在低功率低水位高水温和装料已旧时尤其强烈。但是一般来说这不会导致功率立即上升,因为需要数秒中子才会释放。控制一个正反馈系统对人类来说也不是难事。rbmk反应堆是以自动化计算设备和控制棒自动控制功率的。而且在大大冗余的控制棒,和两套自动停机系统加持下,安全性也是有保障的。

但是存在漏洞,而切尔诺贝利事故正好是骚操作撞到漏洞上。

过程:

实验需要,要将反应堆功率从3200mw降到700mw,但是由于实验开始时间延迟,操作班组降功率降的过快,一下到了3mw。

功率下降过快导致了燃料中氙135的增加。氙135是中子毒药,会吸收中子减弱反应。因此为了提升功率到所需水平,操作班组依靠直觉违规拔出了过多的控制棒,实验中测试的水泵启动时,水流量增加,进一步吸收中子,于是进一步拔出控制棒。最后只保留了6根。

自动控制系统和主要的安全系统被关闭,反应堆手动控制。

拔出控制棒后,功率仅上升到200mw。而10%以下功率时,两套紧急停机系统均不工作,也不提供反应率数据。操作班组纯靠直觉盲操作。因为功率很低,他们觉得很稳。

然而此时反应堆的配置已经十分危险,控制棒过多拔出,如果此时是高功率,这就是爆炸的配置。现在功率是低的,一旦吸收中子的东西减少,功率变高,反应率会变高,然后功率更高,反应率更高~如此循环正反馈。而此时自动控制关闭,紧急停机关闭,甚至连反应率监视都没有。反应堆如同一堆火药上立了根燃烧的火柴,而操作的人是瞎的。

然后,随着实验结束,水泵水流降低,核心内气泡增多,反应率上升。而后操作班组按下了AZ-5紧急停堆键,控制棒插入(按计划实验后这个反应堆要停机维护,所以这应该是预定的结束实验的步骤,而不是发现反应率异常上升后的反应,因为当时没有反应率监测数据反馈给班组。但已无从证实)。由于设计问题,控制棒和石墨槽之间有冷却水的水膜,阻碍插入速度,控制棒插入缓慢,完全插入需要18s。同时控制棒头部有一段石墨,被设计用来增强控制棒效力和平均核心中子流,但是在被过度拔出的情况下,再插入时,这段石墨排开了水,造成了吸收中子减少,增加了反应率。

(为何会设计一段石墨,参见我的另一个回答zhihu.com/question/3268

最后爆了。



所有反应堆在投入商用的时候一定都是自认为绝对安全的,但实际上永远有你想不到的缺陷。而即便发现了隐患,由于经济政治体制原因,也不会对外泄露,而是寄希望于完善系统。而越复杂的系统,失效的场景也越多。

世界上所有核电站的融堆概率都是小数点后面很多位,代表平均一个反应堆要运行上千上万年才会出现一次融堆。这个融堆概率是无数人的计算成果,是宣传核电安全的核心论据。然而人类历史上已经有3次融堆事故了,彩票中了三次。

最后,操作班组对所操作的反应堆没有深入到细枝末节的了解,而科学家也不了解复杂的反应堆实际操作时有多少奇怪的场景,所以他们都不相信它会爆。

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理论上来说,如果不是控制棒端头用了石墨,所有控制棒全部插下去,也就是剧中的AZ-5,是会停堆的。但是一旦缺陷被隐瞒,信息就会不对称,也自然就会造成科学家和操纵人员的错误判断。

去年核电那些事儿团队去了切尔诺贝利,他们把所有收集到的一手资料都发给我了,恰好最近答辩结束相对空闲了,因此近期会在专栏更新一个系列,敬请关注,也欢迎留言。欢迎关注我的专栏

能源与智慧

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