Brytyjskie ryzyko atomowe: jak inżynierowie z Windscale zbudowali pierwszy na Zachodzie reaktor plutonowy

Wrzesień 1947, Cumberland, Anglia. Christopher Hinton stał na wietrznym nadmorskim klifie z widokiem na Morze Irlandzkie, wpatrując się w ruiny Królewskiej Fabryki Uzbrojenia. Jego zadanie wydawało się niemożliwe: zbudować dwa reaktory jądrowe zdolne do produkcji plutonu o jakości wojskowej bez amerykańskiej pomocy, bez sprawdzonych projektów, nie wiedząc nawet, czy powojenna gospodarka Wielkiej Brytanii będzie mogła sobie pozwolić na zakup stali.

Amerykanie właśnie zamknęli drzwi przed współpracą nuklearną, uchwalając ustawę McMahona. Brytyjskie partnerstwo atomowe z czasów wojny, które przyczyniło się do powstania Projektu Manhattan, oficjalnie upadło. Hinton miał dwa lata, aby dokonać tego, co Amerykanie potrzebowali czterech lat, dysponując nieograniczonymi zasobami. Jego rozwiązanie zakładało chłodzenie powietrzem zamiast wodą. Bloki grafitu obrabiane maszynowo z tolerancją tysięcznej części cala i robotników budowlanych, którzy nie wiedzieli, że budują najniebezpieczniejsze maszyny ludzkości.

To historia inżynierii o tym, jak Wielka Brytania postawiła wszystko na nieprzetestowany projekt reaktora i do października 1952 roku stała się trzecią potęgą jądrową na świecie. W sierpniu 1945 roku wojna dobiegła końca. Brytyjscy naukowcy, którzy pomogli stworzyć bombę atomową w Los Alamos, wrócili do domu, spodziewając się dalszej współpracy z Ameryką. Mylili się.

Partnerstwo rozpoczęło się w 1940 roku. Dwóch fizyków-uchodźców, pracujących na Uniwersytecie w Birmingham, Otto FR i Rudolph Pyles, obliczyło, że bomba uranowa 235 jest rzeczywiście wykonalna. Ich memorandum FR dotyczące PY zszokowało brytyjski rząd i skłoniło go do uruchomienia produkcji stopów rurowych, brytyjskiego programu broni atomowej. W 1943 roku, na mocy Porozumienia z Quebecu, stopy rurowe połączyły się z amerykańskim projektem Manhattan.

Brytyjscy naukowcy, tacy jak James Chadwick, William Penny i John Cochroft, pracowali ramię w ramię z Amerykanami w Los Alamos. Wnieśli oni istotny wkład w prace teoretyczne nad projektem bomby implozyjnej. Byli świadkami testu Trinity. Wierzyli, że wiedza o atomie będzie wiecznie dzielona. Aż nadszedł 1 sierpnia 1946 roku. Prezydent Truman podpisał ustawę o energii atomowej, znaną jako ustawa McMahona.

Sekcja 10 zabraniała udostępniania informacji o nuklearności państwom zagranicznym, nawet sojusznikom, a nawet Wielkiej Brytanii. Ustawa weszła w życie 1 stycznia 1947 roku. W ciągu jednej nocy brytyjscy naukowcy, którzy pomogli zbudować bombę, zostali odcięci od amerykańskich obiektów. Współpraca techniczna została całkowicie przerwana. Rząd brytyjski był oszołomiony. Premier Clement Atley powiedział, że nastąpił powrót izolacjonizmu Stanów Zjednoczonych.

Wielka Brytania stanęła w obliczu przerażającej możliwości stoczenia kolejnej wojny samotnie, bez broni jądrowej, podczas gdy Związek Radziecki dążył do stworzenia własnej bomby. 8 stycznia 1947 roku tajny komitet gabinetowy, Gen 163, podjął doniosłą decyzję. Wielka Brytania miała zbudować własną bombę atomową niezależnie, bez pomocy Amerykanów.

Szefowie sztabu oszacowali, że do 1957 roku będą potrzebować 200 bomb atomowych. Aby to osiągnąć, Wielka Brytania potrzebowała plutonu, i to w dużych ilościach, a pluton wymagał reaktorów jądrowych. Wyzwanie to trafiło na biurko Christophera Hintona na początku 1946 roku. Hinton, ceniony inżynier, nadzorował ogromne projekty wojenne. Teraz stanął przed czymś bezprecedensowym.

Projektował, budował i obsługiwał pierwsze w Wielkiej Brytanii reaktory do produkcji plutonu w miejscu, które jeszcze nie istniało. Swoją siedzibę założył w dawnej fabryce amunicji w Wrizley w hrabstwie Lanasher, gdzie zgromadził zespół inżynierów, którzy pracowali nad projektami wojennymi, ale nigdy nie zbudowali niczego jądrowego.

Problem był brutalnie prosty. Amerykańskie reaktory w Hanford korzystały z chłodzenia wodnego i wymagały 30 milionów galonów oczyszczonej wody dziennie. W przypadku awarii chłodzenia reaktor mógł się katastrofalnie stopić. Generał Lesie Groves, która kierowała Projektem Manhattan, zwierzyła się brytyjskim gościom w 1946 roku: „Nie zdziwiłabym się, gdybym zadzwoniła któregoś ranka i usłyszała, że ​​jeden ze stosów eksplodował.

Wielka Brytania nie mogła sobie pozwolić na takie ryzyko. Co ważniejsze, amerykańskie kryteria lokalizacji reaktorów wymagały, aby znajdowały się one w odległości 80 km od każdego miasta powyżej 50 000 mieszkańców. Zastosujmy ten standard do Anglii – dosłownie nigdzie poza odległą Szkocją nie było na to miejsca. Zespół Hindena stanął przed fundamentalnym pytaniem inżynierskim. Czy mogliby zbudować reaktory plutonowe bez chłodzenia wodnego? Odpowiedź zadecydowałaby o tym, czy Wielka Brytania stanie się potęgą jądrową, czy pozostanie na zawsze zależna od Ameryki.

Rozwiązanie opracowane przez zespół Hintona było tak niekonwencjonalne, że amerykańscy inżynierowie uznali je za lekkomyślne, ale pozwoliło ono na budowę na brytyjskim terenie, obniżyło koszty o 40% i wyeliminowało najgroźniejszą awarię reaktorów chłodzonych wodą. Problem w tym, że nikt nigdy nie zbudował chłodzonego powietrzem reaktora plutonowego na skalę produkcyjną.

A fizyka grafitu pod wpływem bombardowania neutronami skrywała śmiertelną tajemnicę, która miała zostać odkryta dopiero po rozpoczęciu budowy. Na początku 1947 roku inżynierowie Hintona w Rizley stanęli przed wyborem, który miał zdefiniować brytyjski potencjał nuklearny. Jakiego rodzaju chłodziwa do reaktora? Amerykanie używali wody. Wielka Brytania nie mogła.

Reaktory chłodzone wodą wymagały ogromnej infrastruktury. Zakłady przetwarzania czystej wody, ogromne stacje pomp, awaryjne systemy chłodzenia rezerwowego i przerażający tryb awaryjny – utrata chłodziwa powodowałaby zarówno przegrzanie, jak i nasilenie reakcji jądrowych, co groziło katastrofą. Do tego dochodziła kwestia lokalizacji. Gdyby Wielka Brytania zastosowała amerykańskie standardy bezpieczeństwa, kwalifikowałyby się jedynie odległe górskie rejony Szkocji.

Oznaczało to niemożliwą logistykę, brak wykwalifikowanej siły roboczej i koszty budowy, które doprowadziłyby do bankructwa programu. Inżynier o nazwisku RG Newell, który pracował w kanadyjskim laboratorium w Montrealu podczas wojny, zaproponował coś radykalnego: chłodzenie powietrzem. Koncepcja była prosta. Przetłoczyć powietrze przez kanały w rdzeniu reaktora za pomocą potężnych wentylatorów.

Ogrzane powietrze wydostaje się przez wysoki komin. Naturalna konwekcja zapewnia chłodzenie awaryjne w przypadku awarii wentylatorów. Bez wody, bez pomp, bez katastrofalnych powodzi. Zespół Hintona przeprowadził obliczenia. Projekt chłodzony powietrzem byłby o 40% tańszy niż chłodzenie wodne. Czas budowy znacznie by się skrócił, a co najważniejsze, mogliby go zbudować na wybrzeżu Cumberland, na terenie dawnej fabryki uzbrojenia Ciffield Ordinance Factory.

Panował sceptycyzm. James Kendall, główny projektant reaktora Hintona, współpracował z naukowcami z ośrodka badawczego Harwella, aby zmodelować termodynamikę. Testowali koncepcje chłodzenia powietrzem na małym reaktorze eksperymentalnym o nazwie BIPO (brytyjski eksperymentalny stos zero), który osiągnął stan krytyczny w lipcu 1948 roku. BIPO dowiódł skuteczności chłodzenia powietrzem w małej skali.

Skalowanie do wielkości produkcyjnej oznaczało rozwiązanie bezprecedensowych wyzwań inżynieryjnych. Pierwszym wyzwaniem był projekt elementu paliwowego. Uranowe pręty paliwowe musiały być zamknięte w aluminiowych osłonach, aby zapobiec utlenianiu. Uran zapala się pod wpływem wysokiej temperatury. Ale jak efektywnie chłodzić metalowe pręty powietrzem? Rozwiązanie? Żebra. Aluminiowe żebra przyspawane do każdego wkładu paliwowego, zwiększają powierzchnię wymiany ciepła.

Każdy z 70 000 wkładów paliwowych byłby ręcznie wyposażony w precyzyjnie obrobione żebra. Drugim wyzwaniem był przepływ powietrza. Jak przepuścić wystarczającą ilość powietrza przez reaktor, aby go schłodzić, nie zużywając nadmiernej mocy pompowania? Inżynier DW Gins zaproponował pomysłowy projekt. Powietrze chłodzące powinno być doprowadzane centralnie do reaktora, umożliwiając jego przepływ przez kanały paliwowe.

To radykalnie zmniejszyło wymaganą moc pompowania. Osiem dużych dmuchaw umieszczonych w oddzielnych budynkach przetłaczałoby powietrze przez 3440 kanałów paliwowych. Komin o długości 125 metrów (410 stóp) wytwarzałby naturalną konwekcję ciągu wystarczającą do chłodzenia reaktora, nawet w przypadku awarii dmuchaw. Trzecim wyzwaniem był moderator grafitowy.

Do rozszczepienia jądrowego potrzebne są neutrony. Szybkie neutrony z atomów uranu muszą zostać spowolnione i zmoderowane, aby podtrzymać reakcję łańcuchową. Amerykanie użyli grafitu sprasowanego w duże bloki, tworzące rdzeń reaktora. Wielka Brytania musiała pozyskać ultraczysty grafit. Zwykły grafit przemysłowy zawierał zanieczyszczenia, które mogłyby zakłócić reakcję.

Filie Union Carbide w Wielkiej Brytanii i Kanadzie, British Achesen i Electromeergical Company mogły to zapewnić, ale za ogromną cenę. Złożono zamówienia na 6000 ton. Grafit musiał być obrabiany mechanicznie w precyzyjne bloki z tolerancją do tysięcznej części cala. Pracownicy w pomieszczeniach czystych nosili specjalne ubrania, aby zapobiec zanieczyszczeniu pyłem.

Wolframowe narzędzia tnące zostały opracowane specjalnie do tego zadania. Pod koniec 1948 roku doszło do katastrofy. Jakość grafitu od obu dostawców nagle się załamała. Hinton osobiście poleciał do Kanady i odkrył problem. Surowiec koksu naftowego, pochodzący z pól naftowych w Illinois, został zanieczyszczony ropą z innych źródeł. Łańcuch dostaw został naprawiony.

Ale potem nadeszły niepokojące wieści z Harwella. Węgiersko-amerykański fizyk Eugene Wigner odkrył coś przerażającego w graficie poddanym bombardowaniu neutronami – zjawisko, które ostatecznie doprowadziło do pożaru w Windscale 10 lat później. Na początku 1949 roku brytyjscy inżynierowie dowiedzieli się, że ich projekt reaktora nie zadziała, ponieważ błędnie oszacowali zachowanie grafitu.

Budowa już trwała. Tysiące bloków grafitowych poddawano obróbce mechanicznej. Cały projekt wisiał na włosku. W marcu 1949 roku budowa w Windscale postępowała w szybkim tempie. Ponad 5000 robotników roiło się na placu budowy. Wylano fundamenty. Powstawały potężne betonowe osłony biologiczne.

Bloki grafitu były precyzyjnie obrabiane. Wtedy naukowcy z Harwell przekazali druzgocące wieści. Gdy grafit jest bombardowany neutronami, jego struktura krystaliczna ulega dyslokacji. W materiale kumuluje się energia, którą fizycy nazywają energią Wignnera. Po odkryciu Eugene’a Wignera w Projekcie Manhattan, brytyjscy inżynierowie dowiedzieli się o tym zjawisku.

To był jeden z powodów, dla których wybrali chłodzenie powietrzem. Kanały wodne mogłyby się zablokować, gdyby grafit się rozprężył. Jednak w 1948 roku amerykański fizyk Walter Zinn odwiedził Wielką Brytanię i dostarczył dodatkowych danych. Wyjaśnił, że rozprężanie nie było równomierne. Grafit rozszerzał się prostopadle do osi wytłaczania, a nie równolegle. Kiedy inżynierowie RZley przeliczyli obliczenia na podstawie danych Zinna, odkryli katastrofalny błąd.

Ich projekt reaktora nie sprawdziłby się. Grafit rozszerzyłby się w sposób, który w ciągu kilku miesięcy zatkałby kanały paliwowe, a reaktory były już w budowie. Zespół Jamesa Kendalla stanął przed niemożliwym do dotrzymania terminem. Przeprojektować cały zespół rdzenia grafitowego, nie opóźniając budowy ani nie przyznając się przed parlamentem, że projekt może się nie powieść.

Rozwiązanie, które opracowali, było genialne. Zamiast układać bloki grafitowe poziomo, ułożyli je pionowo, na końcach. Zapobiegło to rozszerzaniu się w pionie. Każdy blok miał zapewnioną przestrzeń do rozszerzania się w poziomie. Bloki były mocowane za pomocą listew grafitowych przyciętych wzdłuż osi wytłaczania.

Było to eleganckie, pomysłowe i wymagało ponownej obróbki tysięcy bloków grafitu, które zostały już wycięte. W marcu 1949 roku Harwell zgłosił kolejny problem. Brytyjski grafit zachowywał się nieco inaczej niż amerykański. Rozszerzał się wzdłuż osi poziomej, potencjalnie skracając żywotność reaktora do zaledwie 2,5 roku. Hinton stanął przed decyzją.

Ponownie przeprojektować lub kontynuować z niepewnością. Więcej testów w kanadyjskim reaktorze Chalk River wykazało, że ekspansja była mniej gwałtowna niż przewidywano. Hinton podjął decyzję, powrócić do projektu z 1948 roku i kontynuować. Oszacował, że reaktory będą działać przez 5, maksymalnie 10 lat. Naukowcy byli bardziej optymistyczni, od 15 do 35 lat, ale wszyscy przyznawali, że energia Wignera może spowodować przedwczesne pękanie grafitu.

Istniał jeszcze jeden problem. Fizyk William Marley ostrzegał, że uwolnienie energii Wignera może spowodować zapłon pręta sterującego. Edward Teller, odwiedzając Harwell w 1948 roku, ostrzegał, że spontaniczne uwolnienie energii Wignera może spowodować zapłon pręta paliwowego. Brytyjscy naukowcy byli przekonani, że ryzyko jest niewielkie. Mylili się, ale stało się to oczywiste dopiero w październiku 1957 roku.

Na razie budowa była kontynuowana. Rdzenie reaktorów nabierały kształtu. Były to ośmiokątne grafitowe kominy o wymiarach 25 na 50 stóp, ważące 2000 ton każdy. Każdy komin był przebity 3440 poziomymi kanałami paliwowymi. 24 pręty regulacyjne wykonane ze stali borowej mogły absorbować neutrony, regulując moc. 16 prętów zabezpieczających, utrzymywanych nad rdzeniem przez elektromagnesy, opadało pod wpływem grawitacji w sytuacjach awaryjnych.

Osłona biologiczna, 2,1 metra betonu wyłożonego stalowymi płytami, miała chronić pracowników przed promieniowaniem. Każda konstrukcja reaktora ważyła 57 000 ton. Fundamenty musiały być perfekcyjne. Inżynierowie wywiercili otwory testowe, aby zbadać nośność gruntu. Każdy reaktor posadowiono na żelbetowej płycie o szerokości 60 metrów, długości 30 metrów i grubości 3 metrów.

Stosunek wody do cementu był starannie kontrolowany, aby zapobiec kurczeniu się. Konstrukcja musiała być umieszczona z tolerancją pół cala na odcinku 100 stóp. Pod koniec 1950 roku reaktory były prawie gotowe. Wtedy John Cochraftoft podjął decyzję, która później uchroniła Wielką Brytanię przed katastrofą nuklearną. John Cochcraftoft, dyrektor brytyjskiego ośrodka badań nad energią atomową w Harwell, odwiedził Oak Ridge National Laboratory w Tennessee.

Amerykanie eksploatowali swój reaktor grafitowy X10 od 1943 roku. Cockcraftoft chciał skorzystać z ich doświadczeń operacyjnych. Podczas wizyty zauważył coś niepokojącego. W powietrzu wokół obiektu wykryto cząsteczki tlenku uranu. Były radioaktywne i wydostawały się z reaktora.

Cockcraftoft natychmiast zrozumiał konsekwencje. Gdyby w reaktorach Windscales wybuchł wkład paliwowy, cząsteczki radioaktywne zostałyby uniesione przez chłodzące powietrze do komina, powodując skażenie brytyjskiej wsi. Wrócił do Wielkiej Brytanii i wydał rozkaz: Zainstalować filtry na szczytach obu kominów. Inżynierowie byli przerażeni.

Kierownictwo Rizley przyjęło to spokojnie. Zespół inżynierów nie. Logicznym miejscem dla filtrów była podstawa komina, ale komin paleniska numer jeden był już zbudowany. Pierwszy, o długości 21 metrów, zbudowano zimą 1950-1951 roku. Filtry miały zostać umieszczone na górze, na wysokości 125 metrów. Inżynier konstrukcji D. Dick przygotował projekt.

Każda galeria filtrów wymagała 200 ton stali konstrukcyjnej, cegieł, betonu i specjalistycznego sprzętu. Całość trzeba było wciągnąć na szczyt 120-metrowego komina i zmontować w miejscu odsłoniętym, z widokiem na Morze Irlandzkie. Rozpoczęto budowę. Filtry nadały kominom charakterystyczny wygląd – wypukłe galerie umieszczone na szczytach wąskich kominów.

Robotnicy i inżynierowie wyśmiewali je, nazywając szaleństwem Cockcraftofta. Filtry kosztowały dodatkowe 3000 funtów tygodniowo w postaci dodatkowej mocy dmuchawy. Wydłużały one budowę o kilka miesięcy. Wydawały się niepotrzebne. W końcu amerykański reaktor X10 działał latami bez filtrów. Hinton sam nie zaproponował ich usunięcia, gdy tylko reaktory okażą się bezpieczne.

Gethan Davyy, kierownik zakładu, sprzeciwił się usunięciu. Komitet zakładowy stanął po stronie Davyya. Filtry pozostały. Lata później odkryto, że tlenek uranu w Oak Ridge wcale nie pochodził z reaktora. Pochodził z pobliskiego zakładu separacji chemicznej. Alarm Cockcraftofta opierał się na nieporozumieniu. Ale jego głupota ocaliłaby Wielką Brytanię.

10 października 1957 roku, kiedy w wyniku nieudanej procedury uwalniania energii Wignnera zapalił się jeden z kominów Windscale, filtry te wychwyciły około 95% cząstek radioaktywnych. Bez nich skażenie byłoby 20 razy większe. Południowa Szkocja, północna Anglia, a potencjalnie także niektóre części Europy, uległyby poważnemu skażeniu.

Ale ta katastrofa wydarzyła się dopiero za 7 lat. W październiku 1950 roku pal numer jeden w skali Windscale po raz pierwszy osiągnął stan krytyczny. Pal numer jeden osiągnął stan krytyczny, ale jego wydajność była o 30% niższa od specyfikacji projektowej. Coś było nie tak. Inżynierowie starali się rozwiązać problem, zanim brytyjscy naukowcy zajmujący się bronią stracili cierpliwość.

Niecałe dwa lata po uruchomieniu odkryli, że problem energetyczny Wignnera nie był teoretyczny. Był przerażająco realny. We wrześniu 1952 roku zaobserwowano dym wydobywający się z rdzenia wyłączonego reaktora. Decyzja podjęta w tym momencie miała określić sposób eksploatacji brytyjskich reaktorów przez następne 5 lat.

W październiku 1950 roku reaktor numer jeden osiągnął stan krytyczny, ale pracował z mocą zaledwie 70% projektowanej mocy. Inżynierowie gorączkowo pracowali nad poprawą wydajności. Problemem była absorpcja neutronów. Zbyt duża ilość aluminium w wkładach paliwowych pochłaniała neutrony, uniemożliwiając długotrwałą reakcję przy pełnej mocy. Rozwiązanie było prymitywne, ale skuteczne.

Tom Tui kierował zespołem, który ręcznie przyciął każdą żeberkę o 1/16 cala na każdym wkładzie paliwowym, przycinając ręcznie milion żeberek w sierpniu i wrześniu 1950 roku. To zadziałało. Pierwszy stos rozpoczął produkcję plutonu. Drugi stos osiągnął stan krytyczny w czerwcu 1951 roku i osiągnął znacznie lepszą wydajność, osiągając 90% projektowanej wydajności dzięki grafitowi wyższej jakości.

Reaktory działały w oparciu o ciągłe podawanie paliwa. Naboje uranowe były wpychane do przedniej ściany, czyli do wsadu, natomiast napromieniowane paliwo było wypychane z tyłu, czyli do wylotu, i opadało do chłodzonych wodą pojemników. W styczniu 1952 roku pierwsze napromieniowane pręty paliwowe wysłano do obróbki chemicznej. 28 marca 1952 roku Tom Tui wydobył pierwszą próbkę brytyjskiego plutonu.

Do sierpnia 1952 roku do wydziału uzbrojenia w Aldermasten dostarczono wystarczającą ilość plutonu nadającego się do zbudowania pierwszego brytyjskiego urządzenia jądrowego. 3 października 1952 roku na wyspach Monteello u wybrzeży Australii Zachodniej odbyła się operacja Hurricane, pierwszy brytyjski test bomby atomowej. Urządzenie implozyjne z plutonem typu windscale zdetonowało z powodzeniem z siłą 25 kiloton.

Wielka Brytania stała się trzecią potęgą jądrową na świecie. Ryzykowna próba Christophera Hintona z reaktorami chłodzonymi powietrzem zakończyła się sukcesem – od decyzji o bombardowaniu niecałe sześć lat bez amerykańskiej pomocy, bez planów, z powojennym złomem i determinacją. Ale sukces niósł ze sobą ukryte niebezpieczeństwo. W maju 1952 roku w reaktorze nr 2 doszło do tajemniczego wzrostu temperatury podczas wyłączania. Operatorzy uruchomili dmuchawy.

Komin ostygł. Brak wyjaśnienia. Następnie, we wrześniu 1952 roku, w pierwszym kominie temperatura wzrosła podczas wyłączania. Zaobserwowano dym wydobywający się z rdzenia. Oczywiste rozwiązanie, uruchomienie dmuchaw, niosło ze sobą ryzyko, ponieważ wtłaczanie powietrza do tlącego się rdzenia mogło spowodować pożar. Operatorzy podjęli decyzję, uruchomili dmuchawy. Temperatura spadła.

Komin ostygł bez ognia. Badania wykazały, że dym pochodził ze smaru łożyskowego, a nie grafitu. Ale badania ujawniły również coś bardziej niepokojącego. Energia Wignera uwalniała się spontanicznie w postaci potężnych wyładowań ciepła. Inżynierowie stanęli przed przerażającym dylematem. Wyłączenie reaktorów z eksploatacji wstrzymałoby produkcję plutonu, opóźniając brytyjski program zbrojeniowy o 4 lata, a także uniemożliwiłoby dalszą pracę i groziłoby katastrofalnym uwolnieniem energii Wignera. Wybrali rozwiązanie pośrednie.

Kontrolowane wyżarzanie Wignnera. Proces przebiegał następująco: wyłączono reaktor i zwiększono moc na tyle, aby ogrzać grafit do temperatury powyżej 250°C. W tej temperaturze grafit staje się plastyczny, umożliwiając dyslokacjom Wignnera relaksację i stopniowe uwalnianie energii. Pierwsze wyżarzanie przeprowadzono na stosie nr 2 w styczniu 1953 roku.

Grupa mierzyła temperatury rdzenia. Operatorzy uważnie monitorowali wydzielanie ciepła. To działało. Od tego czasu okresowe wyżarzanie przeprowadzano co 20 000 megawatogodzin, później zwiększono je do 30 000, a następnie 40 000 megawatogodzin. Między sierpniem 1953 a lipcem 1957 roku przeprowadzono osiem wyżarzania na pierwszym palu i siedem na drugim.

Maksymalne zarejestrowane temperatury sięgały 420°C. Naukowcy z Hartwell uczestniczyli w pierwszych kilku wyżarzaniach. Później zadanie to powierzono operatorom. Stało się to rutyną. To był błąd. Każde wyżarzanie było inne. Z czasem uwalnianie energii rignera stawało się trudniejsze, co wymagało wyższych temperatur. Fizyk JL Phillips zamówił dodatkowe termoelementy, aby kompleksowo monitorować proces.

Grizzly mógł dostarczyć jedynie 66 termopar dla grafitu i 20 dla elementów paliwowych. To nie wystarczyło. W międzyczasie reaktory były intensywniej eksploatowane. W 1955 roku premier Winston Churchill zobowiązał Wielką Brytanię do zbudowania bomby wodorowej, która wymagała tridu produkowanego poprzez napromieniowywanie prętów litowo-magnezowych w reaktorach, aby skompensować absorpcję neutronów przez produkcję tridu.

Wprowadzono paliwo uranowe lekko wzbogacone. Reaktory pracowały cieplej. Energia Wignera rosła szybciej. Na początku października 1957 roku stos nr 1 miał przejść dziewiąte wyżarzanie. Nikt nie przypuszczał, że będzie to ostatnie. >> 7 października 1957 roku, godz. 1:13 Stos nr 1 został wyłączony na czas dziewiątego wyżarzania Wignera.

Na początku 8 października termopary wskazywały 250°C. Wprowadzono pręty regulacyjne. Reaktory zostały wyłączone. Temperatury zaczęły spadać w większości obszarów. Wtedy fizyk Ian Robertson podjął brzemienną w skutki decyzję. W poprzednich analizach, w których temperatury nie rosły równomiernie, reaktor był ponownie nagrzewany po 24 godzinach. Tym razem Robertson zdecydował się na ponowne nagrzanie po zaledwie kilku godzinach, gdy jedna termopara nadal wskazywała wzrost temperatury.

Erature. O godzinie 11:00 8 października reaktor ponownie osiągnął stan krytyczny. Ogrzewanie kontynuowano do 9 października. Temperatura w jednym kanale 2053 wzrosła do 405°C. Operatorzy na krótko otworzyli przepustnice, aby go schłodzić. Poziom radioaktywności w kominie wzrósł, co wskazywało na pęknięcie wkładu. O godzinie 13:45 10 października uruchomiono wentylatory wyłączające, aby schłodzić reaktor i zlokalizować pęknięty wkład. O godzinie 16:30

Operatorzy otworzyli otwory inspekcyjne. Metal się żarzył. Widoczne były żółte płomienie. Nabój litowo-magnezowy pękł i zapalił się. O godzinie 20:00 płomienie stały się niebieskie. Płonął grafit. Uczestniczyło w tym około 120 kanałów. Mężczyźni w kombinezonach ochronnych użyli stalowych prętów do wypchnięcia płonącego paliwa z reaktora. Pręty zostały ponownie wyjęte.

Użyto słupów rusztowania. Przywieziono cysternę z dwutlenkiem węgla z sąsiedniej hali Calder. O godzinie 4:30 rano 11 października CO2 wprowadzono do rdzenia. Bez efektu. O godzinie 7:00 rano kierownik budowy Gethan Davyy podjął najniebezpieczniejszą z możliwych decyzji: ugasić pożar wodą.

Woda z gorącym grafitem wytwarza wodór. Wodór z płomieniem równa się eksplozji. Eksplozja może rozrzucić materiał radioaktywny po całej Wielkiej Brytanii. Pompy były ustawione od 3:45 rano. O 8:59 rano woda wlała się do kanałów nad ogniem. Przez wiele godzin nic się nie działo. Wtedy operatorzy podjęli kolejną kluczową decyzję: wyłączyli dopływ powietrza.

Odcięcie dopływu tlenu do ognia w połączeniu z chłodzeniem wodnym zaczęło go opanowywać. Do 12 października, połączenie chłodzenia wodnego i odcięcia tlenu ostatecznie ugasiło pożar. O godzinie 15:10 12 października odcięto dopływ wody. Pożar ugaszono po 3 dniach. Filtry Cockraftofta wychwyciły około 95% cząstek radioaktywnych.

Obecne szacunki wskazują, że uwolniło się od 600 do 1800 terabekareli jodu 131, co wystarczyło do spowodowania około 240 dodatkowych zachorowań na raka w ciągu kolejnych dekad. Gdyby nie te szaleństwa, liczba ofiar byłaby 20 razy wyższa. Kominek nr 1 został uszkodzony na tyle, że nie można go było naprawić. Kominek nr 2 został natychmiast zamknięty, ponieważ uznano go za zbyt niebezpieczny do dalszego użytkowania.

Pierwsze brytyjskie reaktory plutonowe zostały ukończone po zaledwie 7 latach eksploatacji. Reaktory w Windscale stanowiły niezwykłe osiągnięcie i przestrogę. W niecałe 5 lat brytyjscy inżynierowie zaprojektowali, zbudowali i uruchomili pierwsze na Zachodzie reaktory do produkcji plutonu chłodzone powietrzem. Dokonali tego bez amerykańskiego wsparcia, wykorzystując powojenny złom i pracowników, którzy nie wiedzieli, że budują obiekty do produkcji broni atomowej.

Innowacje inżynieryjne były niezwykłe. Chłodzenie powietrzne wyeliminowało katastrofalne w skutkach awarie reaktorów chłodzonych wodą. Wkłady paliwowe Finn zwiększyły wydajność wymiany ciepła. Centralny wtrysk powietrza zmniejszył zapotrzebowanie na moc pomp. Konstrukcja rdzenia grafitowego, choć wadliwa przez Wigner Energy, sprawdziła się na tyle dobrze, że umożliwiała produkcję plutonu o jakości wojskowej.

Ryzyko Christophera Hintona się powiodło. Wielka Brytania przetestowała swoją pierwszą bombę atomową w październiku 1952 roku, zaledwie 22 miesiące po tym, jak pierwszy reaktor osiągnął stan krytyczny. Jednak pożar w Windscale ujawnił granice możliwości inżynierii wykraczającej poza sprawdzone granice. Reaktory eksploatowano na granicy specyfikacji projektowych, przeprowadzano coraz trudniejsze wyżarzanie, a niewystarczająca aparatura pomiarowa pozwalała, by rutyna zastępowała ostrożność.

Od czasu katastrofy w Windscale nie zbudowano żadnego reaktora grafitowego chłodzonego powietrzem. Miejsce to, obecnie nazywane Coffield, pozostaje jednym z najbardziej złożonych projektów oczyszczania poatomowego na świecie. Uszkodzony rdzeń reaktora Pile 1 nadal zawiera około 4 kg plutonu 239, 69 g cezu 137 oraz mniejsze ilości innych radionuklidów. Wycofywanie z eksploatacji trwa do dziś i szacuje się, że potrwa ono nawet do 2040 roku.

Historia o wietrze uczy fundamentalnej lekcji o inżynierii w ekstremalnych warunkach. Innowacja wymaga śmiałości, ale śmiałość bez odpowiednich marginesów bezpieczeństwa prowadzi do katastrofy. Wielka Brytania potrzebowała broni jądrowej. Christopher Hinton dostarczył ją, wykorzystując nieprzetestowane projekty i wojenną improwizację. To ledwo działało.

Głupoty Johna Cochrofta zapobiegły katastrofie w 1957 roku. Jego upór w stosowaniu filtrów znakowanych przez inżynierów i kosztownych w instalacji pokazał, że czasami paranoiczny inżynier jest mądrym inżynierem. Kominy wiatrowe dowiodły, że determinacja i pomysłowość inżynierska mogą przezwyciężyć ograniczenia zasobów i izolację polityczną.

Ale udowodnili również, że oszczędzanie na bezpieczeństwie, nawet w imię bezpieczeństwa narodowego, ma konsekwencje dla pokoleń. Do dziś ikoniczne kominy w Ciffield wciąż stoją, widoczne z odległości wielu kilometrów wzdłuż wybrzeża Cumberland. Komin budynku Pile 2 został obniżony do wysokości budynku na początku XXI wieku. Komin budynku Pile 1, skażony pożarem z 1957 roku, jest powoli rozbierany od góry do dołu, a proces ten będzie trwał latami.

Stanowią one pomniki brytyjskich ambicji atomowych, inżynieryjnej odwagi Christophera Hintona, dalekowzroczności Johna Cochrofta i 5000 robotników, którzy własnymi rękami budowali reaktory, nie wiedząc, że mają do czynienia z najpotężniejszą i najniebezpieczniejszą technologią ludzkości. Jeśli ta dogłębna analiza inżynierii wydała Ci się fascynująca, obejrzyj nasz film o tym, jak radzieccy inżynierowie zbudowali tajne miasta jądrowe dla 400 000 ludzi, których nie było na żadnej mapie. Link w prawym górnym rogu.

Subskrybuj, aby poznać więcej historii, w których inżynierski geniusz przesunął granice możliwości. Jakie wyzwanie inżynierii atomowej powinniśmy omówić następnym razem? Dajcie nam znać w komentarzach.

Uwaga: Część treści została stworzona przy wsparciu AI (AI & ChatGPT) i następnie została twórczo opracowana przez autora, aby lepiej odpowiadała kontekstowi oraz ilustracjom historycznym. Życzę Ci fascynującej podróży odkrywczej!