温茨凯尔核事故与安全启示

1957年秋，温茨凯尔(Windscale)1号反应堆堆芯发生火灾。这起被国际核与放射事件分级表(INES)评定为5级“具有广泛后果的事故”的事件，自此激发了核安全文化、风险评估、事故建模和应急准备的发展。温茨凯尔事故也帮助展示了沟通和透明度对于赢得信任和公众支持的重要性。

1号反应堆的火灾作为一个实例，说明了当许多不同复杂系统（每个系统都有其自身固有风险）的各个方面被组合成一个功能系统时，审视随之产生的风险的重要性。石墨慢化、空气冷却反应堆的风险因温茨凯尔事故而得以揭示。该事件为后来进行的风险研究，如WASH-1400和概率风险评估(PRA)，提供了灵感。

Thomas R. Wellock在《核新闻》的文章“反应堆安全研究的起源”（2021年9月，第42页）中，讲述了WASH-1400的历史：“对整体风险的主要贡献并非来自设计基准事故或灾难性的压力容器失效，而是来自看似微小的事件，如小破口冷却剂丧失事故(LOCA)、人为错误和共因事件。”通过将此逻辑应用于温茨凯尔1号反应堆的早期事件，可以认为共因事件（堆芯石墨中过热）和试图灭火过程中的人为错误是场址火灾整体风险的主要贡献者。

温茨凯尔核反应堆示意图。（图片来源：维基共享资源）

英国政府是在1946年《原子能法案》结束了美国与其二战盟友（特别是英国和加拿大）之间的核合作之后，开始其核技术发展的。随之而来的是位于英格兰坎伯兰(Cumberland)西斯科尔(Seascale)的温茨凯尔反应堆，其规划和建造目的是为国防生产钚。温茨凯尔1号反应堆于1950年投入运行，温茨凯尔2号反应堆紧随其后于1951年投运。

英国政府在设计过程早期就意识到，如果使用水冷反应堆，该场址的面积不足以在发生事故时提供安全屏障。如果水流冷却剂中断，疏散和隔离区可能需要英国根本无力提供的广阔土地。政府因此决定建造两座均采用自然通风空气对流堆芯冷却系统的反应堆，每座反应堆都配有一个巨大的冷却烟囱，高耸入云近400英尺。

在反应堆设计中，燃料管道水平贯穿堆芯，并被石墨包围。位于反应堆后部的烟囱通过自然对流将热量带走。设置在堆芯前部的工业风扇可以开启以增强自然对流的效果。每个燃料元件长约一英尺，并带有带肋片的包壳保护。燃料从每座反应堆的前部装入堆芯，随着每个新燃料元件的加入，先前辐照过、现已含有钚的燃料元件被从后部推出，落入一个冷却水池中。

科克罗夫特(Cockcroft)

反应堆设计考虑了各种可能危及每座反应堆结构完整性的情况。这些情况包括从燃料卡在燃料管道中，到辐照后的燃料元件被推入冷却水池后破裂。核物理学先驱约翰·科克罗夫特爵士(Sir John Cockcroft)提出，如果反应堆后部发生火灾，铀可能会点燃，导致放射性元素从烟囱逸出。他建议在每个烟囱上加装过滤器。然而，这个担忧在施工后期之前一直被忽视。直到烟囱建成后，过滤器才被组装并安装到每个结构的顶部。这些被工程师们嘲弄为“科克罗夫特的蠢事”的过滤器，不久后便阻止了一场放射性灾难。

1957年10月7日，1号反应堆堆芯异常升温。反应堆操作员试图通过维格纳释放(Wigner release)来释放多余热量，这是一种排出反应堆堆芯中石墨受中子轰击所积聚能量的常规方法。尝试进行的维格纳释放有助于缓解堆芯温度，但操作员注意到2053号燃料通道的温度仍在上升。第二天早上，又进行了一次维格纳释放，并似乎取得了成功。

通常情况下，维格纳释放会在短时间内减少堆芯中的能量，温度开始趋于平稳然后下降。然而，在10月10日，监测1号反应堆堆芯的热电偶指示温度正朝着错误的方向发展。为了扭转温度上升的趋势，操作员开启了工业冷却风扇，以辅助自然通风对流并为堆芯提供额外冷却。但不久之后，烟囱内的辐射探测器指示发生了放射性释放。

通过冷却风扇增加空气流量是一个错误。在检查了一个燃料通道后，操作员意识到堆芯着火了。增加的空气流量助长了反应堆后部的火焰，导致火灾蔓延到更多的燃料通道。火势开始失控地燃烧，很快，烟囱中的辐射读数开始增加。火灾很可能在此前两天就已经开始燃烧。

操作员试图通过提高风扇转速来吹灭火焰以扑灭火灾。然而，这一行动反而增大了火势。接着，操作员尝试使用二氧化碳来使火焰缺氧，但泵入火中的二氧化碳量不足以成功将其扑灭。

到10月11日，火灾仍在猛烈燃烧，由大约11吨铀提供燃料。用水灭火是最不可取的选项，因为可能发生氢气爆炸。操作员担心炽热的燃料元件会从水中夺取氧，留下氢。堆芯中任何高爆炸性氢气的存在都将是灾难性的。

然而，最终这似乎是唯一剩下的选择，于是操作员开始用水浇灭火灾。在加水过程中对堆芯进行了氢气反应的监测，虽然没有积聚或爆炸，但最终水也被证明无法成功扑灭火灾。

操作员似乎无计可施了。作为最后的手段，他们关闭了大型工业冷却风扇，认为风扇可能提供了充足的氧气供应以维持火势。果然，在风扇关闭后，火焰开始消退，不久火就熄灭了。

火灾发生后，两座温茨凯尔反应堆都被关闭，这至今仍是英国最大的核事故。如果不是因为“科克罗夫特的蠢事”过滤器，情况会糟糕得多。

在20世纪60年代，进行了燃料移除和隔离污染的操作，1号反应堆的拆除工作于2018年底开始。核退役管理局(Nuclear Decommissioning Authority)和塞拉菲尔德有限公司(Sellafield Ltd.)正在管理该场址，堆芯部件和燃料元件已被封存和密封。

理解反应堆堆芯在石墨受中子轰击能量积聚期间的热状态是关键。温茨凯尔是最早的案例研究之一，它帮助世界各地的核工程师认识到所涉及的风险以及正常操作未按计划进行时可能导致的严重后果。温茨凯尔的事件帮助国际核工业在工程设计、建造和运营过程中制定了核安全标准。68年前1号反应堆的火灾也帮助国际核工业在辐射监测、退役和长期贮存方法方面取得了进展。

编者注：本文已从2022年10月发表于《核新闻》的原始版本扩展而来。

Jeremy Hampshire是美国核学会(ANS)会员，其副业是撰写核科学与技术史。他的经验包括担任首席核质量保证审核员和高级核技术顾问。