網路城邦
上一篇 回創作列表 下一篇  字體:
擁核火力支援》核電廠不核爆的極簡數學說明
2017/12/23 08:52:40瀏覽1683|回應0|推薦26
核電廠不核爆,簡單明瞭的比喻是5%的啤酒不燃燒,53%高梁酒會燃燒。然而,5%、53%只是濃度的客觀描述,仍然未解釋為什麼5%不燒,53%會著火。本文獻給想追根究底的你。

爆炸,指的是短時間內發生的劇烈反應。花生油會燃燒,但若是花生油噴成霧狀並且充份混合助燃劑,它就會爆炸。

在核反應爐中的燃料,靠的是核分裂來釋放能量,而核分裂依靠中子撞擊可裂材料如鈾235/鈽239來啟動。一次的核分裂平均會釋出2.5個中子,而且在1毫秒內可以完成反應。若在10毫秒內,這些反應過的中子都引發下一輪的分裂反應,那麼從第1顆中子起,在10毫秒內釋放的能量是2.5的10次方,2.5^10,約為9500倍,若是20毫秒,變成9千萬倍。請記得,這是在百分之一秒內發生的事。這才叫核爆!

但,原子爐是受控的反應器,當然不可能讓每一個中子都引發分裂反應。就算是功率全開,反應爐都是維持在一次分裂反應只留下1顆中子引發下一輪反應,這樣的反應既不會中斷也不會增加,這叫臨界。此時若發生10毫秒的分裂反應,也只有1^10,20毫秒後是1^20,居然都是1吔,也就是不管反應爐運轉多久,一小時、一天或一年,它釋放能量的速率都是常數,不會增加(會減少,因為燃料會逐漸用完)。至於具體怎麼控制,這就是核工的專業。核電廠不會核爆,指的是不會發生20毫秒驟增9000萬倍的劇烈核反應。

為什麼福島核電廠還是爆炸了?

因為核分裂後會留下約百分之二的能量要由衰變反應來釋放,這百分之二是相對反應爐全功率運作來看。這些能量倘若沒有釋放掉,反應爐會一直升溫並將爐內冷卻水蒸發導致燃料露出水面。當爐心溫度持續上升到1260℃後,燃料護套鋯合金和水蒸氣發生鋯水反應釋出氫氣,這就是福島一廠發生爆炸的原因(本段文字修正,感謝 簡國祥 (Kuo-Hsiang Chien) 提醒指正)。但和原子彈那種爆炸,規模差太多了,我們不把它稱為核爆。

好啦,為什麼核電廠5%濃度核燃料不會核爆,而原子彈(通常達到95%)會核爆?

中子不帶電,沒有任何方式可以控制它的行進方向。所以核分裂之後,我們也無法知道新中子會射向何方。這就像瞎子到夜市射飛鏢,想讓他射中氣球,就上下左右前後都放滿氣球靶子,不管怎麼射,鏢鏢不落空。當我們減少氣球數量,有些鏢就會射在保麗龍上。如果我們設定規則,每射中一鏢送2.5支飛鏢,就可以在某一個氣球密度下,維持瞎子射出一鏢,得一支新鏢的臨界點。

5%的核燃料濃度,遠遠低於臨界條件,還得靠反應爐內的特殊條件才能發生臨界。這也是為什麼我們敢大聲地說,凡是那些說核燃料棒(無論用過與否)碰在一起會炸飛上天的,都是騙子。 #賀立維

至於有興趣研究為什麼反應爐內5%核燃料可以達到臨界的人,歡迎加入清大工科系和核工所的行列。
( 知識學習科學百科 )
回應 推薦文章 列印 加入我的文摘
上一篇 回創作列表 下一篇

引用
引用網址:http://classic-blog.udn.com/article/trackback.jsp?uid=cfang0606&aid=109653001