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打造安全的核反应炉

打造安全的核反应炉

安全反应炉是泰勒的点子,从头到尾他都是计画的主导者。他清楚看见安全问题势将成为民用反应炉长期发展的决定性因素;如果反应炉安全堪虑,没有人敢用它。

泰勒告诉狄氏,通用原子迅速打进市场的出奇致胜之道,就是要造出一台反应炉,可以公开展示它的安全性优于其他厂牌。他进一步订下安全反应炉组的首要目标:成功建造一台反应炉,其安全程度必须通过考验,亦即要让随便一群高中生也能动手操作,而毋须担心他们会受到伤害。这个目标对我而言,实在是再合理不过。我加入安全反应炉组,并且在接下来的两个月,和泰勒并肩作战,以期找到令人满意的解答。

和泰勒合作,果然就如我先前所预料的,令人兴奋而刺激。他几乎天天带着一些轻率、不成熟的点子到小校舍来,有些点子令人拍案叫绝,有些很实用,更有一些是兼而有之,又聪明又实用。我用他的点子做为起点,对这问题进行较有系统的分析。他的直觉和我的数学巧妙结合在安全反应炉的设计上,就像当年费曼的直觉和我的数学结合在对电子的了解上,恰可截长补短、相辅相成。我和泰勒论辩,也一如我和费曼的论辩,越辩越明,去芜存菁,逐渐将他狂野的点子与直觉,驯服、挤压成一条条的方程式。

在我们尖锐对立的争辩声中,安全反应炉的雏形呱呱坠地。当然唯一的差别在于,当时我是和费曼独处,如今则不只是泰勒和我二人;安全反应炉组是堂堂十个人的团队,泰勒和我负责吼叫,然后其他的化学家和工程师默默负责大部分的实际工作。

固有安全性设计

反应炉是利用中子可触发连锁核分裂反应的原理製成,它可藉由长长的金属棒来控制反应速率,棒中含有硼或镉这类可以强烈吸收中子的物质。当你要让反应炉转快一点的时候,就把控制棒稍微往外拉一点,离炉心远一点。当你要关闭反应炉的时候,就把控制棒往内推到底。操作反应炉的首要法则是,切忌将控制棒从已关闭的炉中猛抽出来,否则后果不堪设想。不只是猛抽棒子的白痴会赔上性命,甚至会酿成可怕的意外灾难。因此,所有的大型反应炉都设有自动控制系统,让操作员无法突然把棒子抽出来。这是所谓的「工程式的安全」(engineered safety),意思是说,意外灾难理论上可能发生,但是却可经由适当设计的控制系统,加以防止。

然而,泰勒认为工程式的安全还不够好,他要求我们设计的反应炉得具有「固有性的安全」(inherent safety),意思是说,它的安全性必须建筑在自然律的确保下,而不只是靠着工程上的细节设计。即使有个白痴耍了小聪明,跳过整个控制系统并用炸药把控制棒一起炸掉,也必须保证它的安全!说得更精确一点,泰勒对于安全反应炉的基本法则是:即使是在反应炉关闭的状态,当所有的控制棒突然被抽走,反应炉仍须迅速回到稳态操作的地步,不得熔化任何燃料才行。

迈向安全反应炉设计的第一步,是引进所谓的「热中子原理」(warm neutron principle)。因为热中子不像冷中子那般容易被铀原子捕获,因此使铀原子发生核分裂的效率也较低。在一般水冷式反应炉内的中子,会因为与氢原子发生碰撞而放慢脚步,最后它的温度就会和周遭的氢原子大约相同。对一般水冷式的反应炉而言,若真有人粗鲁的把控制棒炸掉,那幺燃料会迅速发热,可是水仍然是冷的;于是中子也仍然是冷的,核分裂的效率将仍居高不下,结果燃料就变得更热,直到熔化、甚至蒸发掉为止。

但是,如果反应炉在设计之初,只将半数的氢放在冷却水中,另外一半的氢则与燃料棒的固体结构混在一起;这幺一来,就算哪个白痴真的突然把控制棒抽出,使得燃料变热,燃料棒内的氢也会被加热,可是冷却水中的氢还是冷的。如此一来,燃料棒内的中子比冷却水内的中子要来得热,而热中子会压抑核分裂的效率,加上本身会自然逸散到水中冷却下来,并被捕获,不再参与反应;反应炉会自动在几乎千分之一秒的短暂时间内稳定下来。这比急急忙忙跑去操作机械式的开关,不知可以快上多少倍。所以,反应炉携带半数的氢在燃料棒内的做法,可以说具有先天的固有安全性。

摘自《宇宙波澜》

打造安全的核反应炉

数位编辑整理:陈子扬
Photo:IAEA Imagebank,CC Licensed.



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