功率最大的研究堆
当突然接到抢险任务的时候，28岁的海军上尉卡特(JimmyCarter)，后来的美国第39任总统，正在纽约州的斯克内克塔迪海军基地里，在里科夫领导的海军核推进项目中工作。让他有点意外的是，之前学习掌握的核污染治理专业技能，不是在将来的“海狼号”核潜艇，而在邻国的反应堆派上用场。
（来源：核史钩沉）
卡特率领部下乘坐火车，紧急赶赴加拿大。那里的一个反应堆，发生了一起严重事故。
海军上尉卡特
话说在第二次世界大战期间，英国和加拿大政府在蒙特利尔大学建立了一个秘密的联合实验室，在之前英国的重水研究项目基础上，主要从事重水慢化钚生产堆的设计工作。作为美国曼哈顿工程的一个分支，这个秘密项目由加拿大国家研究院负责，对外称为“蒙特利尔实验室”。所以，毫不奇怪，对于重水的研究，加拿大科学家从一开始就独领风骚。
战后，跟盟友美国和英国走的路子不一样，加拿大没有继续开展核武器研发，而是潜心于研究反应堆的和平利用，并在后来设计出一种独特的核电堆型——加拿大重水铀反应堆(CANDU)。
1945年9月5日，作为美国之外的第一座反应堆，零功率实验堆(ZeroEnergyExperimentalPile，简称ZEEP)在加拿大安大略省的恰克河实验室首次临界。
ZEEP零功率实验堆
在此基础上，恰克河实验室随后设计了一座多用途研究性反应堆，国家研究实验堆(NationalResearchExperimental，简称NRX)，并于1947年7月22日建成投运。
1945年的恰克河实验室
热功率10MW的NRX，是当时世界上功率最大的研究堆，也是最强的中子源，可以用于核燃料和材料辐照考验、中子束应用研究、同位素生产等用途，让加拿大一跃成为世界核科学研究的前沿。比如，加拿大物理学家布罗克豪斯(BertramBrockhouse)，1950年代曾在这个反应堆上开展研究工作，后来因为在凝聚态物质领域的中子散射探测与分析技术贡献，获得1994年的诺贝尔物理学奖。
加拿大物理学家布罗克豪斯
压力管式重水铀反应堆
NRX是一座利用重水慢化、轻水冷却、天然铀作燃料的研究堆。反应堆坐在一个叫作排管容器的大型铝桶里，直径8米、高3米。排管容器中装有14000升的重水，上部空间填充氦气。在排管容器里，呈六角形垂直布置了175根铝制的压力管，每根压力管直径均为6厘米。
反应堆大厅
绝大多数压力管里装载有燃料棒，有时根据实验需要，可插入其他辐照材料，剩下的压力管用以安放控制反应性的控制棒。另外，通过调节排管容器里重水的水位，也可以控制核裂变链式反应的速率和输出功率。在紧急状态下，可以通过快速排空重水，来达到终止裂变反应的目的。
NRX堆芯示意图(图中只画出一根压力管)
装有天然铀的燃料棒，直径3.1厘米、长3.1米，大约55公斤重。燃料棒为双层铝包壳设计：在燃料棒内外层包壳之间，轻水冷却剂以250公斤/秒高速流过，带走裂变反应释放的热量；在燃料棒外包壳与压力管之间，则是一个环形的空气间隙，空气以8公斤/秒的速率流过，以隔绝压力管内由燃料棒产生的高温。
燃料棒和压力管截面示意图
反应堆一共设计有12根填充碳化硼的不锈钢控制棒。只要其中的7根完全插入堆芯，反应堆就会停闭。控制棒通过电磁装置控制，在失电状态下，控制棒将依靠重力下降，在3-5秒内插入堆芯底部。同时，控制棒还设计有气压驱动系统，可以在空气流的作用下快速插入堆芯，或者从底部缓慢地抽出堆芯。
在运行方式上，12根控制棒被分成2组：
一组叫作安全棒，包括4根控制棒，一起上下运动，通过主控室控制台上的1号按钮操作，旁边还布置有每根安全棒的位置指示灯。
另一组为剩下的8根控制棒，由控制系统以自动序列方式提升或插入堆芯，通过2号按钮操作。
控制台上还有一个3号按钮，用以操作控制棒电磁装置。控制气动系统的4号按钮，则位于控制台不远处的墙上。
控制台上的中心控制盘布置图
后来的严重事故，正是由这套控制棒控制系统的故障所引发。
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。
原标题：殷鉴|最早的反应堆严重事故
