切尔诺贝利事件里，为什么石墨有放射性？他不就是铅笔芯的材料吗？

HBO电视剧《切尔诺贝利》中最先到达的消防队员捡起了一块巨型铅笔芯一样的碎片——

不久之后，他的手就烂了——

过了几天，他就惨死了。

他捡起来的这块“巨型铅笔芯”就是反应堆中心控制棒的组成部分。

用稍微形象一点的比喻来说，核电站很像是把一颗手雷放置在一个完全密闭并且无比坚固的高压锅内，引爆这个手雷，产生巨大能量，再想办法把这个能量输出。如果没有这个坚固的高压锅，那这个手雷爆炸会把周围一定范围内的人都搞死，而手雷如果不爆炸，就没有办法产生能量。

重核原子经中子撞击后，裂变成为两个较轻的原子，同时释放出数个中子，并且以伽马射线的方式释放光子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子，从而形成链式反应而自发裂变。在这里可以简单总结一下——原子裂变，释放出“弹片”——中子，伽马射线。其中这个中子再撞击原子，再分裂出中子。在这个过程中，释放热量。

我们不需要去理解这些原子，中子，裂变，我们只需要知道，他们会不断分裂，不断四处飞散，不断互相碰撞再分裂成更多高速飞行的弹片，射向四周。

原子核裂变时除放出中子还会放出热，核电站用以发电的能量来源于此。

现实里手榴弹炸开，弹片四射，火光冲天，而核裂变是一样的效果，只不过我们肉眼看不到这些中子，伽马射线，但是它们可以穿透人体等大多数生物体，并且造成DNA结构突变。

对于一座石墨减速沸水堆核电站来说，放射性核燃料钚或者铀会不断裂变并释放出大量热能，高压下的循环冷却水把热能带出，生成蒸汽；高温高压的蒸汽推动汽轮机，进而推动发电机发电。

如果说把放射性核元素铀或者钚比作手榴弹，那么石墨则是这个高压锅锅壁的组成部分。

石墨（Graphite），又称黑铅（Black Lead），是碳的一种同素异形体，具有良好的中子减速性能，最早作为减速剂用于原子反应堆中。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点、稳定、耐腐蚀的性能，石墨正好完全满足上述要求。

切尔诺贝利核电站使用的是压力管式石墨慢化沸水反应炉，简称石墨减速沸水堆，顾名思义，石墨是用来给中子减速从而加剧反应的，沸水则是让水沸腾产生热量发电。

具体原理上，铀裂变产生能量，而石墨的作用主要是减速中子，促进反应——快速发散的中子无法和铀再反应因而不能生成能量，所以需要减速带防止它们“都跑光”，中子撞倒石墨壁以后可以减速变慢，并且返回去再撞击其它中子，加速裂变。

那切尔诺贝利反应堆在结构上具体是怎么实现这种“高压锅”产生能量的呢？

石墨减速带

图中1是石墨做的减速带，准确的说白色那部分，这部分就像墙壁一样让黄色部分（核燃料棒）里面射出的中子减速，返回，最后加速石墨壁内的裂变。

石墨块作为减速剂围绕在包含核燃料的压力管周围，并将其分开。

减速剂被放在一个圆柱形的，内径16米，外径19米的中空水槽里。水槽壁厚30毫米，内部分为16个垂直单元。水从单元底部泵入并从顶部流出。

压力管道

石墨壁环绕的是压力管道，包裹在核燃料棒外面的压力管道长达7米，由焊死的锆合金制成，内径80毫米，壁厚4毫米，由两片交叠的20毫米厚的石墨支撑。其中一片直接接触管道，与石墨堆有1.5毫米空隙，另一片直接接触石墨堆并与管道有1.3毫米空隙。每个核燃料棒组件最后会被固定在压力管道中，每个管道由冷却剂（加压水）单独冷却。

燃料组件

黄色的东西是燃料组件，夹在一层一层的减速剂中间。燃料组件可以被分解为18根燃料柱，每根柱子里包裹氧化铀颗粒。

燃料柱最外面由锆合金(1%铌)制成，外径13.6毫米，厚度0.825毫米，充有压强为0.5 MPa的氦气并完全密封，使得燃料呆在燃料棒中央并辅助散热。每支锆合金管中含有3.5千克的燃料，管道长3.64米，其中有效部分（含有燃料的部分）长3.4米，可以耐受600°C高温，里面装着氧化铀小颗粒。

氧化铀颗粒

微量浓缩的氧化铀颗粒被封闭在燃料棒锆合金管中，由二氧化铀粉末组成, 与粘结剂烧结为直径11.5毫米，长15毫米的桶状。原料中可能含有二氧化铕作为可燃烧的中子毒物来降低新的和用了一部分的燃料的差别。为了减轻热膨胀以及和外壳反应的问题，这些颗粒有半球形凹陷，中心还有一个2毫米直径的孔。这个孔还有助于对气态裂变产物的排出。

这东西的作用就是不停的反应，发热，所到之处，人畜皆死。

核燃料棒插进加压管道再放进石墨壁以内，那么燃料棒这个“手雷”就被放进高压锅了。但是怎样控制能量的高低或者控制反应堆速率呢？

需要往石墨做的减速带里插入控制棒。

控制棒

前面结构图中的2是由硼、碳化硼、镉、银铟镉等能够吸收中子的材料做成的控制棒，插在石墨减速带中间，主要作用是吸收中子，插得越深，反应越弱，插得越浅反应越激烈。

燃料棒散发出来的温度会加热水，变成水蒸气，带动汽轮机发电，而新注入的水可以冷却堆芯防止过热。而控制棒决定了燃料棒的温度和反应速率。

本图为切尔诺贝利核事故发生时的RBMK反应堆控制棒位置。反应堆核心有1661个燃料通道和211个控制棒通道。蓝色是启动的中子源，黄色是底部的短控制棒，绿色是手动控制棒，红色是自动控制棒。上面的数字表示插入深度，单位为厘米，我们可以额看到，大多数绿色部分，控制棒都插不进去，所以反应堆持续高温，最后炸了。

为什么会插不进去呢，因为好死不死的苏联人在控制棒前端搞了点石墨。

反应堆的大多数控制棒都是从上方插入的，另外有24根短棒则是从下方插入以用来增加对核心纵向输出分布的控制。

在切尔诺贝利事故机组，除了12根自动控制的控制棒，所有控制棒在末端都有4.5米长的石墨，被用来增强在控制棒插入和取出时中子流衰减的差异，因为水也是一种中子吸收剂，石墨会将水置换出来。

设计师只在想拔出控制棒的时候可以中和反应，没有想到在插入的时候，这些石墨会先促进反应。因为燃料棒发射出来的中子碰到石墨壁被吸收一部分，减慢速度，又反弹回去一部分再次撞击其它中子，加剧反应。

所以在切尔诺贝利事故中，本来操作员就把控制棒拔得差不多了，反应堆堆芯温度极高，然后插控制棒回去的时候，控制棒尖端的石墨又加速反应，温度更高，再加上热胀冷缩导致减速带已经形变，控制棒插了一截就卡住了，不能完全插入，最后一个插入所有控制棒的紧急制动按钮成为了导致反应堆爆炸的元凶。

在反应堆里，只有堆芯的控制棒尖端和压力管道壁上能见到石墨，而这些部位的石墨又是紧贴高温的燃料棒的，附带强烈的放射性污染。当我们已经可以看到石墨，就意味着被密封的反应堆已经被炸得核心暴露，四分五裂了。

当时苏联人炸掉了切尔诺贝利4号机组以后，用了无数小伙子们的命去填坑以后，还认为我伟大光荣正确的苏维埃是不会有错的，是世界上最先进的，所以列加索夫院士用自杀来提醒自己的同行，用自己的生命换来了苏联政府对这个错误的纠正，不过为时已晚，切尔诺贝利事故后几年，这个永远伟大光荣正确的国家就解体了。

最后，还要纠正一下，首先石墨没有放射性但是和核燃料接触被污染的石墨是有的，其次铅笔芯也不完全是石墨，铅笔芯是石墨和粘土制成的，如今已经没有哪个实诚的公司会真的用铅、石墨给你做笔芯。

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