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天下文化首頁 主題 打造安全的核反應爐
科學自然

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2016.07.20
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文章摘錄自

宇宙波瀾
《宇宙波瀾》是戴森最出名的著作,他把科學生活比作個人靈魂的航程,寫下了科學工作五十年的回憶,浪漫而生...
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打造安全的核反應爐


安全反應爐是泰勒的點子,從頭到尾他都是計畫的主導者。他清楚看見安全問題勢將成為民用反應爐長期發展的決定性因素;如果反應爐安全堪慮,沒有人敢用它。

泰勒告訴狄氏,通用原子迅速打進市場的出奇致勝之道,就是要造出一台反應爐,可以公開展示它的安全性優於其他廠牌。他進一步訂下安全反應爐組的首要目標:成功建造一台反應爐,其安全程度必須通過考驗,亦即要讓隨便一群高中生也能動手操作,而毋須擔心他們會受到傷害。這個目標對我而言,實在是再合理不過。我加入安全反應爐組,並且在接下來的兩個月,和泰勒並肩作戰,以期找到令人滿意的解答。

和泰勒合作,果然就如我先前所預料的,令人興奮而刺激。他幾乎天天帶著一些輕率、不成熟的點子到小校舍來,有些點子令人拍案叫絕,有些很實用,更有一些是兼而有之,又聰明又實用。我用他的點子做為起點,對這問題進行較有系統的分析。他的直覺和我的數學巧妙結合在安全反應爐的設計上,就像當年費曼的直覺和我的數學結合在對電子的了解上,恰可截長補短、相輔相成。我和泰勒論辯,也一如我和費曼的論辯,越辯越明,去蕪存菁,逐漸將他狂野的點子與直覺,馴服、擠壓成一條條的方程式。

在我們尖銳對立的爭辯聲中,安全反應爐的雛形呱呱墜地。當然唯一的差別在於,當時我是和費曼獨處,如今則不只是泰勒和我二人;安全反應爐組是堂堂十個人的團隊,泰勒和我負責吼叫,然後其他的化學家和工程師默默負責大部分的實際工作。

固有安全性設計

反應爐是利用中子可觸發連鎖核分裂反應的原理製成,它可藉由長長的金屬棒來控制反應速率,棒中含有硼或鎘這類可以強烈吸收中子的物質。當你要讓反應爐轉快一點的時候,就把控制棒稍微往外拉一點,離爐心遠一點。當你要關閉反應爐的時候,就把控制棒往內推到底。操作反應爐的首要法則是,切忌將控制棒從已關閉的爐中猛抽出來,否則後果不堪設想。不只是猛抽棒子的白痴會賠上性命,甚至會釀成可怕的意外災難。因此,所有的大型反應爐都設有自動控制系統,讓操作員無法突然把棒子抽出來。這是所謂的「工程式的安全」(engineered safety),意思是說,意外災難理論上可能發生,但是卻可經由適當設計的控制系統,加以防止。

然而,泰勒認為工程式的安全還不夠好,他要求我們設計的反應爐得具有「固有性的安全」(inherent safety),意思是說,它的安全性必須建築在自然律的確保下,而不只是靠著工程上的細節設計。即使有個白痴耍了小聰明,跳過整個控制系統並用炸藥把控制棒一起炸掉,也必須保證它的安全!說得更精確一點,泰勒對於安全反應爐的基本法則是:即使是在反應爐關閉的狀態,當所有的控制棒突然被抽走,反應爐仍須迅速回到穩態操作的地步,不得熔化任何燃料才行。

邁向安全反應爐設計的第一步,是引進所謂的「熱中子原理」(warm neutron principle)。因為熱中子不像冷中子那般容易被鈾原子捕獲,因此使鈾原子發生核分裂的效率也較低。在一般水冷式反應爐內的中子,會因為與氫原子發生碰撞而放慢腳步,最後它的溫度就會和周遭的氫原子大約相同。對一般水冷式的反應爐而言,若真有人粗魯的把控制棒炸掉,那麼燃料會迅速發熱,可是水仍然是冷的;於是中子也仍然是冷的,核分裂的效率將仍居高不下,結果燃料就變得更熱,直到熔化、甚至蒸發掉為止。

但是,如果反應爐在設計之初,只將半數的氫放在冷卻水中,另外一半的氫則與燃料棒的固體結構混在一起;這麼一來,就算哪個白痴真的突然把控制棒抽出,使得燃料變熱,燃料棒內的氫也會被加熱,可是冷卻水中的氫還是冷的。如此一來,燃料棒內的中子比冷卻水內的中子要來得熱,而熱中子會壓抑核分裂的效率,加上本身會自然逸散到水中冷卻下來,並被捕獲,不再參與反應;反應爐會自動在幾乎千分之一秒的短暫時間內穩定下來。這比急急忙忙跑去操作機械式的開關,不知可以快上多少倍。所以,反應爐攜帶半數的氫在燃料棒內的做法,可以說具有先天的固有安全性。

摘自《宇宙波瀾》

宇宙波瀾

數位編輯整理:陳子揚
Photo:IAEA Imagebank,CC Licensed.

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