温斯乔火灾

温斯乔火灾（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。

## 背景

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·查德威克领导下，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。

## 温斯乔反应堆

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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。虽然美国得以双头并进，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，藉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状态。

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"考克饶夫的愚蠢之举" (Cockcroft's Folly)。

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。

## 维格纳效应

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。

## 制造氚

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，藉以填充更多燃料。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。

温斯乔一号反应炉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。

## 火灾过程

### 引燃

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。

### 大火

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。

### 灭火

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。

### 灌水

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。

### 阻绝空气

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。

## 后续影响

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。