温斯乔火灾

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 fire: The Windscale fire of 10 October 1957 was the worst nuclear accident in Great Britain's history, ranked in severity at level 5 out of a possible 7 on the International Nuclear Event Scale. The fire took place in Unit 1 of the two-pile Windscale facility on the northwest coast of England in Cumberland (now Sellafield, Cumbria). The two graphite-moderated reactors, referred to at the time as "piles", had been built as part of the British post-war atomic bomb project. Windscale Pile No. 1 was operational in October 1950 followed by Pile No. 2 in June 1951.