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误操作与机械故障
1952年12月12日,研究人员打算在NRX上进行低功率状态下反应性测量实验,主要目的是比较新入堆燃料棒与已辐照燃料棒的反应性大小。
值得一提的是,反应堆中每根燃料棒的冷却能力,可以单独控制和隔离。按照实验方案,新入堆的1根燃料棒,在低功率下无需用轻水冷却,依靠空气冷却即可带走热量,剩余的燃料棒则通过软管连接到一个临时的冷却水系统。
实验在准备过程中,反应堆处于停堆状态。这时,在主控室里,值班长通过控制台上的红色指示灯,发现4根安全棒提起来了。他判断是正在反应堆下部的地下室里的操纵员,错误地打开了控制棒气动系统的旁通阀,使得控制棒顶部压力小于底部,继而导致控制棒自动提升。
值班长立即给地下室打电话,要求现场的操纵员关闭阀门。放下电话后,他离开主控室,冲到地下室,手动关闭了4个旁通阀,并检查了气压。
随后,在地下室的值班长,往主控室打电话,原本想让助手按下控制台上的4号和3号按钮,以便安全棒在气动系统的驱动下快速插入堆芯。然而,实际传达指令的时候,出现了口误,说成了“按下4号和1号按钮”。几秒后,他意识到说错了,赶紧再打电话,然而助手忙着去操作,并没有接电话。
主控室的助手,按照值班长的指令,在15:07按下了4号和1号按钮,后面的事故进程以此为零点描述。
这样做的结果是,原本已经离开堆芯底部的4根安全棒,并不是预想地插入,而是继续被向上提起来了。此后,按照后来的调查分析,反应堆功率以每2秒翻倍的速率急剧上涨。
大约20秒后,助手意识到了问题,又按下了1号按钮,实施紧急停堆。
随后,主控室的人员以为安全棒完全插回堆芯了,因为他们看到控制台上的红色信号灯灭了。然而,事实上,只有1根安全棒完全插入堆芯,其他3根并没有插到底,只是插入到足以关闭警告信号的位置而已。
由于气动系统的故障,控制棒下插的速度比原设计的要慢得多,反应堆功率继续上涨。30秒后,功率达到17MW;44秒钟后,工作人员才发现异常,立即按下了紧急排空排管容器重水的按钮;功率又继续上升了5秒,达到80MW的峰值;大约68秒后,裂变反应才得以终止。
在此过程中,只依赖空气冷却的新燃料棒,冷却严重不足,很快发生熔化;其他通过临时冷却水系统冷却的燃料棒,也遭遇热量导出困难的挑战。部分燃料棒的内外包壳随后破孔,并破坏了压力管的完整性,所有的流体系统,包括重水、轻水、空气和氦气,整个贯通在一起了。
15:11,控制台上的氦气储罐压力表指针突然窜到最高点,暗示着排管容器里发生了氢氧爆炸。排管容器结构遭受部分破坏,厂房里到处响起了辐射警报声。
15:47,下达了撤离整个厂区的命令,人员开始撤离。
接下来,就是麻烦的污染清理工作了。
参与污染清理的卡特
为了移除堆芯的衰变热,事故后不得不继续投运冷却系统。作为慢化剂的重水,本来没有放射性,但是事故破坏了与轻水冷却剂的隔离,大约1万居里的放射性物质,泄漏到4000立方米的重水里。
携带放射性的重水,通过排管容器的破口,流到反应堆厂房的地面。当晚18:00,地下室里已经“水漫金山”了。接下来的几天里,水位涨到1米高,并分别流到氦气储罐和重水储罐房间里。
为了避免污染旁边的渥太华河,刚从国家研究院手里接管恰克河实验室的加拿大原子能公司(AECL),不得不临时修建了一条管线,将厂房里带放射性的水排放到1600米外的一个沙池里。
幸运的是,除个别工作人员受到较高的辐射照射外,事故没有造成人员伤亡。一些气态的裂变产物,通过烟囱排放到环境中。根据随后几年里持续的辐射监测情况看,事故对环境和公众的影响,基本可以忽略。
最棘手的,就是堆芯的拆除和厂房的污染清理了。整个堆芯和排管容器,遭受严重损坏,已经无法再用了,只得整体拆除。由于遍布放射性,拆除工作不能就地实施,只能远程操作。为此,工作人员不得不事先进行反复的模拟演练。拆除后的排管容器、熔化的燃料棒和其他设备,被当作高水平放射性废物埋掉处理。
模拟拆除排管容器
面对反应堆厂房大面积的放射性污染,加拿大政府力不从心,只得向美国求助。于是,包括卡特在内的150名美国海军专业人员,和加拿大的军人、工程师、建筑工人等,组成了一支862人的队伍,开始实施为期几个月的污染清理。
在一个网球场里,加拿大按照当初的设计图纸,制作了一个1:1比例的反应堆厂房模型。卡特上尉和他的部下,需要先在这个真实的模型上进行反复操作,直至熟练为止。
“我们身穿臃肿的防护服,以最快的速度冲进去,手上拿着扳手和虎钳。按照预先演练的那样,快速卸下沿途的门栓和螺栓,然后又快速跑出来……每次进去的时间,不能超过90秒。”后来当上美国总统的卡特,在自己写的一本书里,简短地回忆了这段传奇的经历。
经过2年的事故清理与处理,恰克河实验室在原先的厂房里,安装了一套全新的反应堆堆芯及相关设备,在1954年重启运行,热功率增大到42MW。新的反应堆,一直运行到1993年才彻底停闭。
1966年的反应堆大厅
作为一个深刻的教训,这起史上最早的反应堆严重事故,给后来的反应堆安全指引了改进的方向。自此之后,安全系统的独立性和多样性、冗余的安全停堆能力等等,变成了反应堆设计的基本原则。
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