溫斯喬火災

title: 背景.
content: 1938年12月,奥托·哈恩与弗里茨·施特拉斯曼共同发现核裂变现象,为核武器提供了理论基础。二战期间,伯明翰大学的奥托·弗里施与鲁道夫·佩尔斯得出铀-235球之临界质量仅需数公斤的结论,促使英国政府于1942年建立代号为合金管工程的核子弹计划。1943年8月,美英两国签订魁北克协定,将合金管工程与美方的曼哈顿计划合并。英国团队在詹姆斯·乍得威克领导下,为曼哈顿计划的成功做出了重大贡献。  二战结束后,美英核子研究的紧密关系迅速冷却,美方开始对关键资讯有所保留,1946年通过的核能法案更正式终结了双方的技术合作关系。英国政府面对苏联铁幕的威胁,自身霸权地位的式微,害怕美国再次回到一战后的孤立主义,种种因素加总之下,英国首相艾德礼于1945年8月10日组织委员会,评估自主研发核子弹的可能性。  1945年11月1日,合金管工程由科学工业研究部移转至后勤部。查尔斯·波特尔出任核子能源总监,直接向首相负责。同时间,约翰·考克饶夫于牛津南方的哈维尔空军基地成立核能研究机构(AERE),克里斯多福·辛顿则着手设计一系列核子设施,包含兰开夏的铀提炼工厂,以及坎伯兰温斯乔的反应堆,钚处理工厂。  1946年7月,参谋长委员会正式建请研发核武器,同时提出1957年前制造200枚核弹的目标。1947年1月8日,国会委员会批准代号为高爆炸弹研究的核弹研发计划,同时任命威廉·潘尼爵士担任计划负责人。
title: 温斯乔反应堆.
content: 新计划很快就面临了重大选择。曼哈顿计划使用铀-235与钚两种裂变材料。财大气粗的美国人得以双头并进,但战后英国经济疲软,只能选择其中一种进行研发。参与曼哈顿计划的英国学者多数偏好用钚。同样爆炸当量下,钚的用量约为铀-235的十分之一,钚反应堆的运作成本亦远低于浓缩铀工厂。钚因此成为了经费有限下的最佳选择。  钚反应堆很快地在坎伯兰的西斯卡尔村附近修建起来。一号反应堆在1950年10月开始运转,二号反应堆亦于1951年6月投入运转。两座反应堆由巨大的水泥围阻体保护着,相距数百呎远。  反应堆核心是一个钻了大量燃料通道的巨大石墨块。燃料棒由30公分长的铀棒构成,外面包覆铝壳,防止铀在高温下接触空气燃烧。壳上有鳍,使燃料棒和通道间产生空隙,流通空气,借以带走反应产生的热量。反应炉的运作流程极为简单,只需在正面以固定速率填入燃料棒,推挤通道内的燃料棒,后方的燃料棒自然会掉出核心落入冷却水池,经收集后便可作为提炼钚的原材料。为了避免产生无用的钚-240,钚-241,反应堆的燃耗值被设定在相当低的水平。  反应堆的初期设计师法汉福德区的B反应堆,使用水冷方式降温。然而,水冷循环出问题时可能发生极为危险的冷却剂流失事故,令反应堆在几秒内失控,最终引发爆炸。汉福德区当时的解决方案乃建造一条30哩的逃生专用道,意外发生时直接疏散整个厂区。英国没有那么大的土地,设计师只好寻求更安全的冷却方案。最终设计放弃水冷,改用风扇搭配120米高的烟囱,对核心进行空气冷却。  建造展开后,科学家特伦斯·普莱斯在会议中提出了一个问题: 燃料棒是否可能在掉出核心后裂开? 假如填充燃料棒的力道过大,背面的燃料棒将飞过窄小的水池,掉到水池后方的地板上。如果外壳刚好被摔破,接触空气的高温铀将瞬间点燃,产生大量的二氧化铀烟尘,通过烟囱排放,污染整个厂区。普莱斯建议在烟囱加装过滤器,但与会人士多数认为该猜想系杞人忧天,没有接纳他的建议。幸好,研究总监考克饶夫得知后,认为有其必要,最终还是在烟囱顶端装了过滤器,被工作人员戏称为"考克饶夫的城堡"。  普莱斯的担忧最终成为了现实。实际运转后,大量的燃料棒摔在水池后的地板上,每隔一段时间,工作人员就得拿铲子将它们铲入水池。此外,燃料棒也三不五时卡在通道中,甚至在通道中裂开。不久后,法兰克·雷斯里开始在温斯乔厂区与周边村庄中侦测到核污染的痕迹。这个发现被列为机密。
title: 维格纳效应.
content: 二号反应堆运作一段时间后,发生了一次神秘的核心升温现象。当时英国科学家还不知道石墨被中子长期轰击后产生的变化。匈牙利物理学家尤金·维格纳在曼哈顿计划期间,发现石墨的晶体结构在中子轰击下,将会产生变形并累积位能。时机成熟时,变形的石墨结构将会同时恢复,将位能转换为热量释出。此现象被命名为维格纳效应。  维格纳效应带来的不稳定性让工程师十分担心。他们因此研究出退火的解决方案。将整个石墨核心加热至设定250度后,再缓慢且均匀地降温,使石墨结构恢复正常。
title: 制造氚.
content: 氢弹于1951年出现后,温斯顿·丘吉尔公开承诺加入氢弹竞赛。研发时间表非常紧凑,美苏已经达成限制核试验的共识,第一轮核裁军协议更将于1958年生效,已经没有多余时间建造新的氚制造厂。研发单位为了赶工,只得重复利用温斯乔一号反应堆,将燃料棒成分改为浓缩铀与锂镁以制造氚。这些材料更加可燃也更危险,温斯乔的工作人员多次反映其风险,上级却一概置之不理。  1957年,英国首次氢弹实验宣告失败,更改后的设计改采核分裂-融合方案,需要五倍多的氚,制备期限却更加紧迫。为了增加产量,高层提出一个过去证实可行的小诀窍: 将燃料棒上的通风鳍缩短,使燃料棒温度更高,进而加速中子反应。此外,燃料棒本身的直径也随之增加,借以填充更多燃料。这次改动使技术部门更加不安,尽管反应堆设计师克里斯多福·辛顿强烈反对,上层依然不为所动。  温斯乔一号堆使用新燃料棒测试成功后,很快地进入全速生产模式。然而,使用新燃料棒的反应堆运作温度已高于设计规格,核心内的热分布也随之改变,开始产生累积热量的热点。不巧的是,侦测异常的热电偶是按照设计规格的热分布摆放的,因此未能发现热点。
title: 火灾过程.
title: 引燃.
content: 1957年10月7日,一号反应堆操作员发现反应堆温度异常,决定进行退火程序。过去的经验告诉他们,退火程序可以有效地解决局部温度异常,但这次程序有些不寻常,加热时核心温度反而下降,唯有2053号通道温度不断上升。操作员认为2053通道退火不完全,于是在10月8日早上又重做一次退火。这次操作使整个核心温度上升,退火似乎成功了。  10月10日清晨,仪器读数更加诡异。核心温度在加热结束后理应下降,但其中一个侦测器显示核心温度不减反升。温度最终来到了摄氏400度,操作员只好加大风量冷却核心。烟囱装设的过滤器此时侦测到辐射污染,发出警报。这在过去也发生过,通常只是某个燃料棒破裂了,并不是多严重的事。但操作员们不知道的是,2053通道内的燃料棒不止裂开,更是烧了起来。
title: 大火.
content: 增大的风量提供了充足氧气,使得火势迅速恶化。烟囱侦测到的辐射量急剧上升,甫来上班的另一位员工更看到了烟囱冒出的黑烟。  面对持续上升的核心温度,第一线操作员终于想到核心起火的可能性。他们企图使用远端扫描器确认核心状态,仪器却刚好坏掉了。副主管汤姆·休斯只得自告奋勇,带着另一名操作员,两人穿着保护装备前往核心正面。他们拔起燃料通道检视栓,惊愕地发现里头的燃料棒通体赤红。无庸置疑地,反应堆已经起火。  反应堆主管汤姆·托伊来到现场后,马上穿起全副装备与呼吸器爬上24米高的炉顶,发现火舌从核心背面伸出,一路烧上围阻体,火势中隐约可见明亮通红的燃料棒。倘若火势不止,水泥围阻体将有全面倒塌的风险。
title: 灭火.
content: 反应堆操作员对大火手足无措。他们尝试将风扇开到最大,但这反而更加增长火势。休斯把还没烧起来的燃料棒推进冷却池,阻止火势进一步蔓延。托伊建议推推看燃烧的燃料管道,结果不仅推不动,起重机的棒形前端更被烧得通红甚至融化。跟休斯共同操作机器的同事描述:"燃料通道烧到发白。没有人知道那到底有多热。"  操作员又找来临近反应堆甫收到的25吨液态二氧化碳,尝试往核心正面喷,但管子太小,速度太慢,对灭火毫无帮助。
title: 灌水.
content: 10月11日早上,火势达到了最高峰,整整11吨的铀在炉内熊熊燃烧着,其中一个侦测器的回传值高达1300度,围阻体随时可能倒塌。托伊大胆建议用水灭火。这选择不无风险,在极端高温与金属作用下,水有可能分解出氢气,引发严重气爆。但他们已经别无选择,只得孤注一掷。  他们牵来12个消防水管,将龙头切断,接到起火点上方一米的燃料通道中。托伊再次冒着危险爬上围阻体,下令注水,同时透过观察孔检查是否有氢爆的迹象。氢爆没有发生,但火势也没有停止。
title: 阻绝空气.
content: 托伊灵机一动,下令全厂人员疏散,只留下他和消防队长。他们将所有进入大楼的通风管线关闭后,发现火势如预期般逐渐减弱。托伊持续上下屋顶观察反应堆火势,在其中一次检视时,他惊讶地发现观察孔的罩子难以扳开,这表示炉内的空气已经少之又少了。  "我认为它(大火)甚至开始从烟囱吸取空气了。"托伊在访谈中表示。  他终于成功把观察孔盖打开,看着火势逐渐衰弱下去。  "火焰逐渐消退,亮光也随之黯淡。"休伊道:"我上去观察好几次,直到火势完全熄灭。我尝试站的远一些,但直接望向反应堆时,还是不免要受到一点辐射。"(休伊最终活到九十岁。)  水管继续朝核心灌了24小时水,一直到其完全冷却为止。  大火后,反应堆一直保持封存状态,里面仍然保有15吨的铀燃料。科学家一度担心灌水时产生的氢化铀将使反应堆再次自燃,但后续研究移除了这个可能性。由于严重的辐射污染,正式废炉程序预计在2037年后方能启动。
title: 后续影响.
content: 由于英国政府试图掩盖这场火灾的严重性,确切的死亡人数不得而知。时任英国首相的哈罗德·麦美伦(Maurice Harold Macmillan)担心这次事故会使英国政府蒙羞,并且减弱民众对核能利用工程的支持。难以统计确切死亡人数的另一个原因是:温斯乔的辐射波及太广,横跨英国和北欧数百英里。

Summary: 温斯乔火灾(英语:Windscale fire),是指1957年10月10日,在英国坎伯兰(现坎布里亚郡塞拉菲尔德)西北角的温斯乔反应堆内爆发的严重核子事故。该事件被评为国际核事件分级第5级,亦是英国史上最严重的核事故。

Windscale-Brand: Am 10. Oktober 1957 kam es in einem britischen Kernreaktor in Windscale (heute Sellafield, England) zu einem Brand. Dieser setzte eine Wolke mit erheblichen Mengen radioaktiven Materials frei, die sich über Großbritannien und über das europäische Festland verteilte. Auf der heute gültigen siebenstufigen Internationalen Bewertungsskala für nukleare Ereignisse (INES) wird dieser Unfall als "Ernster Unfall" (Stufe 5) eingestuft, also als Unfall mit Auswirkungen außerhalb des Betriebsgeländes und schweren Schäden am Reaktorkern (wie beispielsweise der von Three Mile Island). Die Strahlung im Reaktor ist bis 2005 auf etwa ein Prozent des sehr hohen Wertes nach dem Brand abgeklungen.