如果鏈式反應失控，會(huì )發(fā)生什么事情？每個(gè)核反應堆難道不就是一顆隨時(shí)可能爆炸的核彈嗎？我們是不是靠反應堆操作者的警惕來(lái)避免那種爆炸呢？它是不是我們應該不惜一切代價(jià)來(lái)避免的極端危險的技術(shù)呢？

   【這個(gè)問(wèn)題，是眼下很多人關(guān)心的。昨天我在街上就聽(tīng)人說(shuō)，幸好不是反應堆爆炸，否則就有蘑菇云了。我不是核專(zhuān)家，也沒(méi)看過(guò)更多的文獻。加州大學(xué)教授Richard Muller的《未來(lái)總統的物理課》，有個(gè)單元討論核武器和核能，其中一章比較詳細地介紹了核電站和反應堆，下面是有關(guān)內容的節選?！?/span>

    核反應堆的物理與核彈的物理非常類(lèi)似。兩者都通過(guò)鈾235和（或）钚239的鏈式反應釋放能量。核彈通過(guò)中子的倍增使整個(gè)裂變在百萬(wàn)分之一秒內發(fā)生。反應堆則相反，它通過(guò)持續的鏈式反應，沒(méi)有倍增過(guò)程。在反應堆中，裂變釋放2或3個(gè)中子，但平均只有1個(gè)會(huì )打擊另一個(gè)核，觸發(fā)另一個(gè)裂變，所以反應不會(huì )加速。能量以不變的速率釋放出來(lái)，將水加熱，產(chǎn)生蒸汽；蒸汽驅動(dòng)渦輪，渦輪驅動(dòng)發(fā)電機，生成電能。氣煤發(fā)電廠(chǎng)也以同樣方式運行，只不過(guò)它們是靠燃燒化石燃料而不是鈾來(lái)生熱。大型核電站與大型氣煤電站的發(fā)電量一樣，大約為10億瓦特。因為普通人家的用電為1千瓦，一座這樣的反應堆能為百萬(wàn)家庭供電。美國大約20%的電來(lái)自104座核電站。

    核電站的核能，只是用來(lái)為水加熱而已，這確乎有點(diǎn)兒奇怪。也許有一天我們能直接用裂變來(lái)發(fā)電，但現在熱水方法是最實(shí)用的。核潛艇也是如此。核潛艇竟然是靠蒸汽驅動(dòng)的，想起來(lái)真是好笑，但確實(shí)是那樣的。新式柴油機潛艇與老式核潛艇之間的根本區別在于其核燃料要高1百萬(wàn)倍（相同重量），而且核潛艇不需要氧氣，所以能在深海停留很長(cháng)時(shí)間。實(shí)際上，核反應堆的部分能量還用來(lái)從水中分離氧氣，為船員提供人造空氣。伴隨氧氣從水中分離出來(lái)的氫氣通常會(huì )變成泡沫鉆進(jìn)大海，成為廢物。如果不用同樣過(guò)程釋放的昂貴氧氣，那些氫是不會(huì )燃燒的。

    核電站看起來(lái)很復雜。它唯一真正與核有關(guān)的部分是反應堆，裝在厚厚的金屬容器里，安置在鋼筋混凝土的建筑物中。那些容器里的容器，是為了防止萬(wàn)一燃料或廢料從反應堆的球芯泄漏出來(lái)，不致逃逸到環(huán)境中去。來(lái)自反應堆容器的水流到蒸汽機，在那兒沸騰。然后蒸汽流向渦輪，驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。

    盡管核彈和核反應堆都以鈾為燃料，但純度的要求迥然不同。天然鈾是99.3%的鈾238和0.7%的鈾235。核彈里進(jìn)行的鏈式反應，必須除去雜質(zhì)鈾238，才不致吸收太多的中子。反應堆就不同了。費米（Enrico Fermi）在曼哈頓計劃期間建造的第一個(gè)反應堆以天然的未分離鈾為燃料，含99.3%的雜質(zhì)。那怎么行呢？為什么他能在反應堆里用未分離的天然鈾呢？

     答案在于鈾238的一個(gè)特殊核物理特性：雖然它對裂變釋放的快中子有很高的吸收率，對慢中子的吸收率卻很低。如果在中子打擊鈾238之前減慢它的速度，那么多數中子都會(huì )反彈回來(lái)。為減慢中子，費米在反應堆中添加了一種他稱(chēng)之為緩和劑的材料。他的緩和劑是石墨，屬于碳的一種形式。把鈾放進(jìn)小棒里，棒很小，能使多數快中子泄漏出去，鉆進(jìn)石墨。它們在石墨中被相對冷的碳原子反彈出來(lái)，每次反彈都丟失部分能量，最后（隨機）落回鈾芯。這時(shí)，它們已經(jīng)慢下來(lái)，其中只有不到一半的被鈾238吸收。反應堆的設計要滿(mǎn)足平均每個(gè)反彈回來(lái)的中子能找到一個(gè)鈾235原子核，觸發(fā)一次新裂變。鏈式反應就這樣穩定下來(lái)了。慢中子有時(shí)也叫熱中子，因為經(jīng)過(guò)幾次反彈后，它們就只剩從反應堆的溫度獲得的能量。

    這些設計的每件事情都基于不同核的特殊性質(zhì)。碳不吸收大多數快中子；鈾238不吸收大多數慢中子。作為未來(lái)總統，你需要了解原子核的結構；你真正需要知道的是，把中子速度減慢，就不必分離鈾了。而且，正如我們下一節要講的，緩和中子對反應堆的安全也有重大意義。

    石墨也是切爾諾貝利反應堆用的緩和劑。加拿大用的緩和劑是重水——氧化氘D2O。在美國，我們用普通的水H2O。為了與重水區別，普通水有時(shí)也稱(chēng)輕水。只有在核工業(yè)中，普通水才有特殊的名稱(chēng)。

     普通水原來(lái)也不會(huì )吸收某些中子。中子容易附著(zhù)在氫上，將氫變成氘。這意味著(zhù)失去了大量中子，從而阻止了鏈式反應的進(jìn)行。為避免這個(gè)問(wèn)題，美國反應堆采用部分分離的鈾，含3％的鈾235，通常叫反應堆級鈾。當然，完全的天然鈾在碳和重水緩和的反應堆里也能正常運行。多數鈾分離廠(chǎng)都生產(chǎn)反應堆級鈾，而不是核彈級鈾。要知道，反應堆級鈾是不能用來(lái)造核武器的。

      如果鏈式反應失控，會(huì )發(fā)生什么事情？每個(gè)核反應堆難道不就是一顆隨時(shí)可能爆炸的核彈嗎？我們是不是靠反應堆操作者的警惕來(lái)避免那種爆炸呢？它是不是我們應該不惜一切代價(jià)來(lái)避免的極端危險的技術(shù)呢？這些問(wèn)題的答案在多數公眾看來(lái)是顯而易見(jiàn)的：是啊——不值得為核能去冒險。對核災難的恐懼可能就是本章開(kāi)頭列舉的那些名詞聯(lián)想引發(fā)的。這種恐懼又被某些虛構的描寫(xiě)放大了，例如1979年的電影《中國綜合癥》里的核能災難；另外還有一個(gè)事實(shí)，最著(zhù)名核反應堆安全檢查員，是幾百萬(wàn)觀(guān)眾在電視里看到的，叫Homer Simpson?！?/span>The Simpsons的主角，是春田核電站的安全檢查員?！?/span>

   我們應該知道這樣一個(gè)關(guān)鍵事實(shí)：核反應堆不可能像原子彈那樣爆炸。公眾的想象是不對的。我之所以能自信地下這個(gè)結論，與反應堆的控制無(wú)關(guān)，而是基于不容爭議的物理。核反應堆有諸多其他危險，但絕不會(huì )像原子彈那樣爆炸。

   核反應堆安全的物理學(xué)理由是，反應堆中心存在大量鈾238，這意味著(zhù)如果不緩和中子，鏈式反應就會(huì )停下來(lái)。我重復一遍：除非中子慢下來(lái)，否則它們會(huì )被鈾238吸收，從而阻斷鏈式反應。

     中子緩和后，會(huì )發(fā)生鏈式反應失控的事件嗎？是的；其實(shí)1986年的切爾諾貝利事件就是這樣發(fā)生的。但是，在中子緩和的情況下，能量釋放被嚴格限制了，因為爆炸會(huì )在大量能量釋放之前破壞反應堆?？偟恼f(shuō)來(lái)，爆炸比中子跑得快。這種事情不會(huì )發(fā)生在核彈里，因為核彈用純鈾235，鏈式反應能用快中子來(lái)進(jìn)行。

     我們還可以這樣來(lái)思考：如果慢中子反應堆失控了，裂變能量會(huì )聚集，直到其密度足以解體反應堆，這通常發(fā)生在能量密度與TNT相當的時(shí)候。在切爾諾貝利，能量足以摧毀反應堆的建筑物，引起碳緩和劑燃燒。煙和熱浪攜帶著(zhù)大量放射性廢料（核反應堆運行中產(chǎn)生的裂變碎片）進(jìn)入大氣，在整個(gè)區域擴散。

     核反應堆會(huì )爆炸——但只是像普通炸藥，而不像原子彈。這種爆炸比一般炸藥的爆炸更可怕，是因為它釋放的放射性廢料，而不是因為爆炸本身。如果我們用核彈級鈾或钚做反應堆的燃料，結果就大不相了，有可能發(fā)生原子彈那樣的爆炸。

     分析家們想象了目前美國核反應堆設計可能發(fā)生的最?lèi)毫邮鹿?，他們頗有想象力地稱(chēng)那為“中國綜合癥”。這種假想的災難首先是核燃料的熔毀。我們知道，核反應堆的目的是生熱來(lái)驅動(dòng)渦輪發(fā)電。裂變生熱，水將熱帶走。假定水因為某種原因（如管道泄露）流失了，那么接著(zhù)會(huì )怎樣呢？

     緊接著(zhù)發(fā)生的事情會(huì )令大多數人驚奇：鏈式反應中斷。那是因為冷卻水也是一種緩和劑，它會(huì )減慢中子。如果水流失了，中子就不再減慢，會(huì )保持很快的速度（就像它們釋放出來(lái)那樣）。因為鈾238的特殊性質(zhì)，多數中子都會(huì )被吸附在鈾核——那個(gè)鈾核不能釋放足夠的維持鏈式反應中子。于是，鏈式反應中斷了。很快就中斷了。

     盡管鏈式反應停止了，裂變碎片的放射性還大量留在反應堆的爐芯——因為沒(méi)有冷卻水，這些放射性足以使爐芯越來(lái)越熱。在一般的反應堆中，這時(shí)需要趕緊注入冷卻水。所有美國反應堆都要求配置這種系統。

     切爾諾貝利核反應堆發(fā)生爆炸時(shí)，俄羅斯宣布鏈式反應停止了——那是因為堆芯被破壞了。美國參議院情報委員會(huì )主席發(fā)表電視講話(huà)，指責那是“無(wú)恥的謊言”。我感到有點(diǎn)兒難為情。他混淆了鏈式反應與殘余裂變碎片的衰變。他知道輻射并未停止，但他沒(méi)意識到蘇聯(lián)人是一點(diǎn)兒沒(méi)撒謊。鏈式反應中斷了，這個(gè)事實(shí)很重要，它意味著(zhù)發(fā)電的功率已經(jīng)陡然下降。

     如果急救的堆芯冷卻系統失靈了呢？（記住我們是在考慮可能發(fā)生的最壞情形。）假如那樣，燃料將繼續被裂變碎片的殘余輻射加熱，直到最終熔化。這些熱量也會(huì )熔化包含燃料的容器壁，熾熱的液態(tài)燃料將滴落到鋼容器的底部聚集。當衰變的核耗盡時(shí)，放射性將陡落下來(lái)。即使如此，計算表明液態(tài)燃料仍然會(huì )繼續變熱，甚至足以熔化反應堆的容器的特殊鋼材。如果熔化干凈了，放射性材料就開(kāi)始破壞容器建筑的混凝土基底。雖然基底厚達幾英尺，但誰(shuí)敢說(shuō)熱燃料不會(huì )一直熔化到底呢？如果基底熔化了，放射性就會(huì )露在外面。接著(zhù)，廢料中的揮發(fā)氣體就能鉆進(jìn)大氣。而熾熱的液態(tài)燃料還將向下熔化。如果液體仍然聚集，那么它會(huì )一路熔化到底——“直到中國”。

     不會(huì )的，它到不了中國。（而且，在地球上，中國并不在我們任何核反應堆的另一端。）燃料不大可能流得太遠，因為它會(huì )擴散，從而會(huì )冷卻下來(lái)。不過(guò)，那只是一點(diǎn)小小的安慰。容器已經(jīng)打破，放射性氣體和諸如碘之類(lèi)的揮發(fā)元素才是最令人擔心的。切爾諾貝利事件的多數癌癥都是它們引起的。

     核電站的放射性很強，足以殺死5000萬(wàn)吸收它的人。即使少量放射性泄漏進(jìn)入大氣，也能造成巨大破壞。我們還記得，切爾諾貝利事件釋放的放射性引發(fā)的癌變，最多估計能殺死4000人（根據線(xiàn)性假說(shuō)）。美國也遭遇過(guò)核事故，發(fā)生在三哩島……