Введение
1957 ядерная авария в Великобритании
Пожар на объекте Виндскейл 10 октября 1957 года стал крупнейшей ядерной аварией в истории Великобритании и одной из самых серьезных в мире, классифицированной по уровню тяжести как 5 из 7 по Международной шкале ядерных событий. Пожар произошел на первом реакторе двухблочной установки Виндскейл на северо-западном побережье Англии в Камберленде (ныне Селлафилд, Камбрия). Два графито-модерируемых реактора, которые в то время назывались "кучами", были построены в рамках британской послевоенной программы разработки атомной бомбы. Куча №1 была введена в эксплуатацию в октябре 1950 года, за ней последовала куча №2 в июне 1951 года. Пожар продолжался три дня и привел к выбросу радиоактивных осадков, распространившихся по всей Великобритании и остальной Европе. Весной 1957 года, за несколько месяцев до пожара, произошла утечка радиоактивных веществ, в результате которой изотопы стронция-90 были выпущены в окружающую среду. Как и в случае с последующим пожаром, этот инцидент также был засекречен британским правительством.
Предыстория
В декабре 1938 года открытие ядерного деления Отто Ханом и Фрицем Штрассманом, последовавшее за предсказанием Иды Ноддак в 1934 году и объяснением и наименованием этого процесса Лизе Майтнер и Отто Фришем, открыло возможность создания чрезвычайно мощной атомной бомбы. Во время Второй мировой войны Фриш и Рудольф Пейерлс из Бирмингемского университета рассчитали критическую массу металлической сферы из чистого урана-235 и обнаружили, что даже небольшое количество вещества может взорваться с мощностью тысяч тонн динамита. В ответ британское правительство инициировало проект атомной бомбы под кодовым названием Tube Alloys. Квебекское соглашение от августа 1943 года объединило Tube Alloys с американским проектом «Манхэттен». Джеймс Чедвик, как главный руководитель британского вклада в проект «Манхэттен», наладил тесное и успешное партнерство с американцами и обеспечил полное и всестороннее участие Великобритании. После окончания войны особые отношения между Великобританией и Соединенными Штатами «стали значительно менее особыми». Британское правительство предполагало, что Америка продолжит делиться ядерными технологиями, которые оно считало совместным открытием, однако после войны обмен информацией был ограничен. Закон об атомной энергии 1946 года (Закон Мак-Маона) официально прекратил техническое сотрудничество. Контроль над «конфиденциальными данными» не позволял союзникам Соединенных Штатов получать какую-либо информацию. Британское правительство восприняло это как возрождение изоляционистской политики США, подобной той, что наблюдалась после Первой мировой войны. Это поставило перед Великобританией возможность необходимости в одиночку противостоять агрессору. Также существовал страх, что Великобритания может утратить свой статус великой державы и, следовательно, свое влияние на международной арене. Премьер-министр Великобритании Клемент Эттли 10 августа 1945 года создал подкомитет кабинета министров, Комитет Gen 75 (неофициально известный как «Комитет по атомной бомбе»), для изучения целесообразности возобновления программы ядерного оружия. 1 ноября 1945 года Директорат Tube Alloys был передан из Департамента научных и промышленных исследований в Министерство снабжения, а лорд Портал был назначен контролером производства атомной энергии (CPAE) с прямым доступом к премьер-министру. 1 ноября 1945 года под руководством Джона Кокрофта было создано Научно-исследовательское учреждение по атомной энергии (AERE) на авиабазе RAF Харвелл к югу от Оксфорда. Кристофер Хинтон согласился курировать проектирование, строительство и эксплуатацию новых объектов ядерного оружия, включая завод по производству уранового металла в Спрингфилдсе (Ланкашир), а также ядерные реакторы и установки по переработке плутония в Виндскейле (Камбрия). 4 февраля 1946 года он разместил свою штаб-квартиру на территории бывшей Королевской оружейной фабрики в Рисли (Ланкашир). В июле 1946 года Комитет начальников штабов рекомендовал Великобритании приобрести ядерное оружие, оценив потребность в 200 бомбах к 1957 году. На заседании Комитета Gen 163, подкомитета Комитета Gen 75, 8 января 1947 года было принято решение о продолжении разработки атомных бомб и одобрено предложение Портала назначить Пенни, в то время главного суперинтенданта по исследованиям вооружений (CSAR) в Форт-Халстеде (Кент), руководителем разработки, получившей кодовое название «Исследования взрывчатых веществ». Пенни утверждал, что «определяющим критерием для великой державы является наличие у нее атомной бомбы, и мы должны либо соответствовать этому критерию, либо понести серьезные потери престижа как внутри страны, так и на международном уровне».
Ветряные штыри
Благодаря участию в военных программах Tube Alloys и «Манхэттен», британские ученые обладали значительными знаниями о производстве делящихся материалов. Американцы создали два типа – уран-235 и плутоний, и использовали три различных метода обогащения урана. Необходимо было решить, сосредоточить ли исследования взрывчатых веществ на уране-235 или плутонии. Хотя все стремились использовать все возможности, как это сделали американцы, было сомнительно, сможет ли испытывающая финансовые трудности послевоенная британская экономика позволить себе необходимые средства и квалифицированную рабочую силу. Ученые, оставшиеся в Великобритании, отдавали предпочтение урану-235, а те, кто работал в Америке, решительно поддерживали плутоний. Они оценили, что для создания бомбы на основе урана-235 потребуется в десять раз больше делящегося материала, чем для бомбы на основе плутония, чтобы получить половину эквивалента в тротиле. Оценки стоимости ядерных реакторов варьировались, но предполагалось, что завод по обогащению урана обойдется в десять раз дороже, чем реактор, для производства того же количества атомных бомб. Поэтому было принято решение в пользу плутония. Реакторы были построены в короткие сроки недалеко от деревни Сискал в Камберленде. Они были известны как Windscale Pile 1 и Pile 2 и располагались в больших бетонных зданиях на расстоянии нескольких сотен футов друг от друга. Сердцевина реакторов состояла из массивного блока графита с просверленными горизонтальными каналами для топливных патронов. Каждый патрон состоял из уранового стержня длиной около метра, заключенного в алюминиевый контейнер для защиты от воздуха, поскольку уран становится высокореактивным при нагревании и может воспламениться. Патрон имел оребрение, обеспечивающее теплообмен с окружающей средой для охлаждения топливных стержней во время их нахождения в реакторе. Стержни вставлялись в переднюю часть сердцевины, «торцевую поверхность», с добавлением новых стержней с расчетной скоростью. Это проталкивало другие патроны в канале к задней части реактора, в конечном итоге заставляя их выпадать сзади, на «выходную поверхность», в канал, заполненный водой, где они охлаждались и могли быть собраны. Цепная реакция в сердцевине превращала уран в различные изотопы, включая плутоний, который отделялся от других материалов с помощью химической переработки. Поскольку этот плутоний предназначался для создания оружия, степень выгорания топлива должна была быть низкой, чтобы уменьшить образование более тяжелых изотопов плутония, таких как плутоний-240 и плутоний-241. Изначальный проект предусматривал охлаждение сердцевины, как в реакторе B, который использовал постоянный поток воды, проходящий через каналы в графите. Существовали две проблемы, связанные с водяным охлаждением. Первая – необходимость в больших объемах высокочистой воды, без которой топливные патроны быстро корродировали бы. Кроме того, местоположение должно было быть удаленным и близко к морю для сброса радиоактивных отходов. Единственное место в Великобритании, отвечающее этим критериям, находилось рядом с озером Лох-Морар, недалеко от Арисайга. Однако высокое содержание хлора в Лох-Мораре означало бы необходимость в большом и сложном очистном сооружении для воды. Эти факторы означали, что проект мог быть задержан на два года. Также существовала серьезная обеспокоенность тем, что система водяного охлаждения может выйти из строя в случае потери охлаждающей жидкости. Это привело бы к неконтролируемой реакции в течение нескольких секунд и потенциальному взрыву. В Хэнфорде эта возможность была решена путем строительства 48-километровой эвакуационной дороги для эвакуации персонала в случае аварии и оставления объекта. Поскольку в Великобритании не было места, где можно было бы эвакуировать территорию радиусом 30 миль в случае аналогичного происшествия, конструкторы стремились к пассивно безопасной системе охлаждения. Вместо воды они использовали воздушное охлаждение, обеспечиваемое двумя вспомогательными вентиляторами (и четырьмя выключающими вентиляторами при необходимости) через реактор и через дымовую трубу высотой 122 метра, которая могла создавать достаточный воздушный поток для охлаждения реактора в нормальных и аварийных режимах. Дымовая труба была спроектирована таким образом, чтобы втягивать воздух через каналы в сердцевине, охлаждая топливо через оребрение патронов. Во время строительства физик Теренс Прайс рассматривал возможность разрушения топливного патрона, например, если новый патрон был вставлен слишком сильно, заставляя патрон в конце канала падать мимо относительно узкого водного канала и ломаться на полу позади него. Горячий облученный уран мог загореться, а мелкая пыль оксида урана была бы поднята вверх по дымовой трубе и выброшена в атмосферу. Подняв этот вопрос на совещании, он предложил установить фильтры на дымовых трубах, но его опасения были отклонены как слишком сложные и даже не были зафиксированы в протоколе. Сэр Джон Кокрофт, руководивший проектной группой, был достаточно обеспокоен, чтобы отдать приказ об установке фильтров. Их нельзя было установить у основания, поскольку строительство дымовых труб уже началось, поэтому они были построены на земле, а затем подняты наверх с помощью лебедки после того, как бетонные конструкции дымовых труб затвердели. Они стали известны как «Безумие Кокрофта», поскольку многие считали, что задержка и их высокая стоимость были ненужной тратой. Во время пожара фильтры уловили около 95% радиоактивной пыли и спасли значительную часть северной Англии от большего загрязнения. Теренс Прайс сказал: «Слово «безумие» казалось неуместным после аварии». В конечном итоге опасения Прайса оправдались. Так много патронов пропустили водный канал, что для персонала стало обычным делом ходить по воздуховодам дымовой трубы с лопатами и возвращать патроны в воду. В других случаях топливные патроны застревали в каналах и лопались, находясь еще в реакторе. Несмотря на эти меры предосторожности и фильтры в дымовой трубе, ученый Фрэнк Лесли обнаружил радиоактивность вокруг объекта и деревни, но эта информация держалась в секрете, даже от персонала станции.
Энергия Вигнера
После ввода в эксплуатацию и выхода на штатный режим, "Пайл 2" столкнулся с необъяснимым повышением температуры в активной зоне. В отличие от американцев и советских специалистов, британцы имели мало опыта в поведении графита под воздействием нейтронов. Венгерско-американский физик Юджин Вигнер обнаружил, что при облучении нейтронами в кристаллической структуре графита возникают дефекты, приводящие к накоплению потенциальной энергии. Если эта энергия накапливалась, она могла высвободиться спонтанно в виде мощного выброса тепла. Американцы давно предупреждали об этой проблеме и даже указывали на возможность возникновения пожара в реакторе из-за такого выброса. Таким образом, британская конструкция имела принципиальный недостаток. Этот вынужденный процесс регулярно проводился на объекте Windscale, но со временем становилось все сложнее высвободить накопленную энергию.
Производство трития
Уинстон Черчилль публично обязал Великобританию создать водородную бомбу и установил для ученых жесткий график выполнения этой задачи. Работа была ускорена после того, как США и СССР приступили к разработке договора о запрещении испытаний и возможных соглашений о разоружении, которые должны были вступить в силу в 1958 году. Чтобы успеть к этому сроку, не было возможности построить новый реактор для производства необходимого трития, поэтому состав топливных элементов Windscale Pile 1 был изменен путем добавления обогащенного урана и лития магния, последний из которых должен был производить тритий при нейтронном облучении. Все эти материалы были легковоспламеняющимися, и ряд сотрудников Windscale выразили обеспокоенность по поводу присущих новых топливных элементов опасностей. Эти опасения были проигнорированы. После провала первого испытания водородной бомбы было принято решение разработать мощное оружие, использующее ядерный взрыв с термоядерным усилением. Для этого требовалось огромное количество трития – в пять раз больше, и его необходимо было произвести как можно быстрее, поскольку приближались сроки испытаний. Чтобы увеличить темпы производства, они применили метод, успешно использовавшийся ранее для увеличения производства плутония: уменьшив размер охлаждающих ребер на топливных картриджах, они смогли повысить температуру топливных элементов, что привело к небольшому, но полезному увеличению интенсивности нейтронного потока. В этот раз они также использовали уменьшенные ребра для увеличения внутреннего объема картриджей, что позволило загружать в каждый из них больше топлива. Эти изменения вызвали новые предупреждения от технического персонала, которые вновь были проигнорированы. Кристофер Хинтон, директор Windscale, ушел в отчаянии. После первой успешной выработки трития в Pile 1 проблема с тепловыделением была признана несущественной, и началось полномасштабное производство. Однако, повысив температуру реактора выше проектных значений, ученые изменили нормальное распределение тепла в активной зоне, что привело к образованию локальных перегревов в Pile 1. Эти перегревы не были обнаружены, поскольку термопары, использовавшиеся для измерения температуры активной зоны, были расположены на основе исходной схемы распределения тепла и не контролировали те участки реактора, которые нагревались сильнее всего.
Зажигание
7 октября 1957 года реактор №1 достиг отметки в 40 000 МВтч, и пришло время для 9-го сброса энергии Вигнера. Ранее это было выполнено восемь раз, и было известно, что эта процедура приводит к равномерному нагреву всего активной зоны реактора. Во время этой попытки температура аномально начала падать по всей активной зоне, за исключением канала 20/53, температура которого повышалась. Сделав вывод, что в канале 20/53 происходит выделение энергии, а в остальных – нет, утром 8 октября было принято решение предпринять второй сброс энергии Вигнера. Эта попытка привела к повышению температуры всего реактора, что свидетельствовало об успешном сбросе. Рано утром 10 октября возникло подозрение, что происходит что-то необычное. Температура в активной зоне должна была постепенно снижаться по мере завершения сброса энергии Вигнера, но контрольно-измерительное оборудование показало неоднозначную картину, а одна термопара указала на повышение температуры активной зоны. По мере развития процесса температура продолжала расти и в конечном итоге достигла…
In an effort to cool the pile, the cooling fans were sped up and airflow was increased. Radiation detectors in the chimney then indicated a release, and it was assumed that a cartridge had burst. This was not a fatal problem, and had happened in the past. However, unknown to the operators, the cartridge had not just burst, but caught fire, and this was the source of the anomalous heating in channel 20/53, not a Wigner release.
В попытке охладить реактор скорость вращения вентиляторов охлаждения была увеличена, и расход воздуха был увеличен. Детекторы радиации в дымоходе зафиксировали выброс, и предположили, что лопнул картридж. Это не было критической проблемой и случалось ранее. Однако операторы не знали, что картридж не просто лопнул, а загорелся, и именно это было причиной аномального нагрева в канале 20/53, а не сброс энергии Вигнера.
In an effort to cool the pile, the cooling fans were sped up and airflow was increased. Radiation detectors in the chimney then indicated a release, and it was assumed that a cartridge had burst. This was not a fatal problem, and had happened in the past. However, unknown to the operators, the cartridge had not just burst, but caught fire, and this was the source of the anomalous heating in channel 20/53, not a Wigner release.
Огонь
Ускорение вентиляторов увеличило поток воздуха в канале, раздувая пламя. Огонь распространился на окружающие топливные каналы, и вскоре радиоактивность в дымоходе быстро возросла. Придя на работу, бригадир заметил дым, выходящий из трубы. Температура активной зоны продолжала расти, и операторы начали подозревать, что активная зона горит. Операторы попытались осмотреть активную зону дистанционным сканером, но он заклинило. Том Хьюз, заместитель главного инженера реактора, предложил лично осмотреть реактор, и он с другим оператором, оба в защитной экипировке, направились к загрузочной поверхности реактора. Был извлечен контрольный штепсель топливного канала рядом с термопарой, регистрирующей высокие температуры, и тогда операторы увидели, что топливо раскалено докрасна. "Был извлечен контрольный штепсель, – сказал Том Хьюз в последующем интервью, – и мы с ужасом увидели, что четыре топливных канала ярко-вишнево-красные". Теперь не было никаких сомнений, что реактор горит, и это продолжалось почти 48 часов. Главный инженер реактора Том Туохи надел полный комплект защитного снаряжения и дыхательный аппарат и поднялся по 24-метровой лестнице на вершину здания реактора, где встал на крышку реактора, чтобы осмотреть заднюю часть реактора, выгрузочную поверхность. Тем самым он рисковал жизнью, подвергая себя воздействию большой дозы радиации. Раскаленные топливные элементы светились в топливных каналах на выгрузочной поверхности. Он несколько раз возвращался в верхнюю часть реактора во время инцидента, в разгар которого с выгрузочной поверхности бушевало сильное пламя, воздействуя на заднюю стенку железобетонной защитной оболочки – бетона, характеристики которого требовали поддержания температуры ниже определенного уровня для предотвращения обрушения. Последующие исследования, проведенные в рамках процесса вывода из эксплуатации, исключили такую возможность. Окончательный вывод из эксплуатации запланирован на 2037 год.
Сравнение с другими авариями
Выброс радиации от пожара в Виндскейле был значительно превышен Чернобыльской катастрофой в 1986 году, но пожар описывался как самая серьёзная реакторная авария до аварии на Три-Майл-Айленд в 1979 году. Эпидемиологические оценки указывают на то, что число дополнительных случаев рака, вызванных аварией на Три-Майл-Айленд, не превышает одного; только Чернобыль повлёк за собой немедленные жертвы. Три-Майл-Айленд был гражданским реактором, и Чернобыль в основном использовался в гражданских целях, оба предназначались для производства электроэнергии. В отличие от этого, Виндскейл использовался исключительно в военных целях. Реакторы на Три-Майл-Айленд, в отличие от реакторов в Виндскейле и Чернобыле, находились в зданиях, спроектированных для удержания радиоактивных материалов, выброшенных в результате аварии на реакторе. Другие военные реакторы приводили к немедленным и известным жертвам, например, инцидент 1961 года на установке SL-1 в Айдахо, в результате которого погибли три оператора. Авария в Виндскейле произошла одновременно с Киштымской катастрофой, гораздо более серьёзной аварией, которая произошла 29 сентября 1957 года на заводе «Маяк» в Советском Союзе, когда отказ системы охлаждения резервуара, содержащего десятки тысяч тонн растворенных ядерных отходов, привёл к неядерному взрыву. Пожар в Виндскейле был ретроспективно классифицирован как уровень 5 – авария с более широкими последствиями – по Международной шкале ядерных событий. Также присутствовало несколько радионуклидов, испускающих преимущественно альфа- и бета-частицы, которые сложнее обнаружить, таких как 90Sr и 239Pu, но они не регистрируются в гамма-спектроскопии, поскольку при распаде не выделяют существенного количества гамма-излучения.