Vindskalshögar

Windscale Piles
Windscale piles 1990.png
Windscale Piles i början av 1990-talet
Designad och byggd av Försörjningsministeriet
Operativ 1950 till 1957
Status Genomgår avveckling
Huvudparametrar för reaktorhärden
Bränsle ( klyvbart material ) Metalliskt naturligt uran, lätt anrikat uran
Bränsletillstånd Fast (stavar)
Neutronenergispektrum Information saknas
Primär kontrollmetod Styrstavar
Primär moderator Kärngrafit
Primär kylvätska Luft
Reaktoranvändning
Primär användning Plutoniumproduktion
Ström (termisk) 2 × 180 MW
Anmärkningar Stängdes av efter branden i Windscale den 10 oktober 1957

Windscale Piles var två luftkylda grafitmodererade kärnreaktorer på Windscales kärnkraftsanläggning i Cumberland (nu känd som Sellafield-platsen , Cumbria ) på Englands nordvästra kust. De två reaktorerna, som vid den tiden kallades "pålar", byggdes som en del av det brittiska efterkrigstidens atombombprojekt och producerade plutonium av vapenkvalitet för användning i kärnvapen .

No. 1 togs i drift i oktober 1950 följt av Pile No. 1980-talet och beräknas pågå efter 2040. Synliga förändringar har setts då skorstenarna långsamt demonterades uppifrån och ner; Pål 2:s skorsten reducerades till höjden av intilliggande byggnader i början av 2000-talet. Rivningen av påle 1 skorsten har dock tagit mycket längre tid då den var kraftigt förorenad efter 1957 års brand. Reaktorhärdarna återstår fortfarande att demonteras.

Bakgrund

Upptäckten av kärnklyvning 1938 av Otto Hahn och Fritz Strassmann , och dess förklaring av Lise Meitner och Otto Frisch , lyfte möjligheten att en extremt kraftfull atombomb kunde skapas. Under andra världskriget beräknade Frisch och Rudolf Peierls vid University of Birmingham den kritiska massan för en metallisk sfär av rent uran-235 och fann att så lite som 1 till 10 kilogram (2,2 till 22,0 lb) kan explodera med kraften av tusentals ton dynamit.

Som svar initierade den brittiska regeringen ett atombombprojekt, med kodnamnet Tube Alloys . Quebecavtalet från augusti 1943 slog samman Tube Alloys med American Manhattan Project . Som övergripande chef för det brittiska uppdraget James Chadwick ett nära och framgångsrikt partnerskap med brigadgeneral Leslie R. Groves , chefen för Manhattanprojektet, och såg till att det brittiska bidraget till Manhattanprojektet var komplett och helhjärtat.

Efter krigets slut blev det särskilda förhållandet mellan Storbritannien och USA "mycket mindre speciellt". Den brittiska regeringen hade litat på att Amerika skulle fortsätta att dela kärnteknik, vilket den ansåg vara en gemensam upptäckt, men lite information utbyttes direkt efter kriget, och Atomic Energy Act från 1946 (McMahon Act) avslutade officiellt det tekniska samarbetet. Dess kontroll av "begränsad data" hindrade USA:s allierade från att ta emot ytterligare information om forskning och utveckling.

Den brittiska regeringen såg detta som ett återupplivande av USA:s isolationism som liknar den som hade inträffat efter första världskriget . Detta väckte möjligheten att Storbritannien kan behöva bekämpa en angripare ensam. Man fruktade också att Storbritannien skulle förlora sin stormaktsstatus och därmed sitt inflytande i världsfrågor. Storbritanniens premiärminister , Clement Attlee , inrättade den 10 augusti 1945 en underkommitté i kabinettet, Gen 75-kommittén (informellt känd som "Atomic Bomb Committee") för att undersöka genomförbarheten av ett förnyat kärnvapenprogram.

Direktoratet för rörlegeringar överfördes från avdelningen för vetenskaplig och industriell forskning till försörjningsministeriet den 1 november 1945, och Lord Portal utsågs till kontrollant av produktionen, Atomic Energy (CPAE), med direkt tillgång till premiärministern. En Atomic Energy Research Establishment (AERE) etablerades den 29 oktober 1945 vid RAF Harwell , söder om Oxford , under ledning av John Cockcroft . Christopher Hinton gick med på att övervaka utformningen, konstruktionen och driften av de nya kärnvapenanläggningarna, som inkluderade en uranmetallanläggning vid Springfields i Lancashire , och kärnreaktorer och plutoniumbearbetningsanläggningar vid Windscale i Cumbria . Han etablerade sitt högkvarter i en före detta Royal Ordnance Factory (ROF) i Risley i Lancashire den 4 februari 1946.

I juli 1946 rekommenderade stabschefskommittén att Storbritannien skaffar kärnvapen. De uppskattade att 200 bomber skulle krävas till 1957. Mötet den 8 januari 1947 i Gen 163-kommittén, en underkommitté till Gen 75-kommittén, enades om att fortsätta med utvecklingen av atombomber och stödde Portals förslag att placera William Penney , Chief Superintendent Armament Research (CSAR) vid Fort Halstead i Kent, ansvarig för utvecklingsinsatsen, som fick kodnamnet High Explosive Research . Penney hävdade att "det diskriminerande testet för en förstklassig makt är om den har gjort en atombomb och vi måste antingen klara testet eller lida av en allvarlig prestigeförlust både i detta land och internationellt."

Design och läge

Vindskalshögar cirka 1956

Produkt

Genom sitt deltagande i krigstida Tube Alloys and Manhattan Project hade brittiska forskare betydande kunskap om framställning av klyvbart material. Amerikanerna hade skapat två typer: uran-235 och plutonium , och hade följt tre olika metoder för urananrikning för att producera den förra. Brittiska forskare hade varit mest involverade i den elektromagnetiska isotopseparationsprocessen , men man insåg att det kunde vara oekonomiskt i fredstid. De visste också en hel del om gasdiffusionsprocessen genom arbete som utfördes inte bara i USA, utan också i Storbritannien, där ICI hade designat en gasdiffusionsproduktionsanläggning och en pilotanläggning för att tillverka membran för den var under uppbyggnad. Minst var känt om produktionen av plutonium i kärnreaktorer , eller "högar" som de ofta var kända vid den tiden; endast Chadwick hade fått besöka Manhattanprojektets reaktorer.

Ett tidigt beslut måste fattas om huruvida högexplosiv forskning skulle inriktas på uran-235 eller plutonium. Även om alla skulle ha velat följa alla vägar, som amerikanerna hade, var det tveksamt om den kontanta brittiska ekonomin efter kriget hade råd med pengarna eller den skickliga arbetskraft som detta skulle kräva. Forskarna som hade stannat kvar i Storbritannien föredrog uran-235, som kunde anrikas med gasdiffusion, och ett sista elektromagnetiskt steg. De som hade arbetat vid Los Alamos-laboratoriet i Amerika var dock starkt för plutonium.

De uppskattade att en uran-235-bomb skulle kräva tio gånger så mycket klyvbart material som en som använder plutonium för att producera hälften av TNT-ekvivalenten . Uppskattningarna av kostnaderna för kärnreaktorer varierade, men var ungefär hälften av en gasdiffusionsanläggning. En gasdiffusionsanläggning skulle alltså kosta tio gånger så mycket att producera samma antal atombomber varje år. Beslutet togs därför till förmån för plutonium. En del av bristen på teknisk kunskap togs upp av Montreal Laboratory i Kanada, där ZEEP- reaktorn blev kritisk den 5 september 1945, och amerikanerna hade levererat några bestrålade bränslestavar för experiment med plutoniumseparering där.

Moderator

De brittiska forskarna var medvetna om att de val de gjorde vid denna tidpunkt kan påverka den brittiska reaktordesignen i många år framöver. Vid utformningen av en reaktor finns det tre viktiga val att göra: bränslet, moderatorn och kylvätskan. Det första valet, bränslet, var ett Hobsons val : det enda tillgängliga bränslet var naturligt uran, eftersom det inte fanns några anrikningsanläggningar för att producera uran-235 och inga reaktorer för att producera plutonium eller uran-233 . Detta begränsade valet av moderatorer till tungt vatten och grafit . Även om ZEEP hade använt tungt vatten, var detta inte tillgängligt i Storbritannien. Valet minskade därför till grafit. Den första kärnreaktorn i Storbritannien, en liten forskningsreaktor på 100 kW känd som GLEEP , blev kritisk i Harwell den 15 augusti 1947.

Detta var bra för en del experimentellt arbete, men produktionen av radioaktiva isotoper krävde en kraftfullare 6 000 kW reaktor med ett högre neutronflöde . För detta designade brittiska forskare och ingenjörer vid Montreal Laboratory British Experimental Pile Zero (BEPO). Risley skötte ingenjören och konstruktionen. Hinton utsåg James Kendall som ingenjör med ansvar för reaktordesign, både BEPO och produktionsreaktorerna. Hans team arbetade nära forskarna vid Harwell, särskilt JV Dunworth, FW Fenning och CA Rennie. För en experimentell reaktor som BEPO var luftkylning det självklara valet. Den resulterande reaktorn var alltså ganska lik Manhattan Projects X-10 Graphite Reactor i både design och syfte. BEPO blev kritisk den 5 juli 1948.

Mycket lärde man sig från designen och konstruktionen av BEPO, som pågick kontinuerligt tills det avvecklades i december 1968. När det kom till konstruktionen av de mycket större produktionsreaktorerna var det initiala antagandet att de skulle skilja sig från BEPO genom att de skulle vara vattenkyld. Det var känt att detta var det tillvägagångssätt som amerikanerna hade tagit vid Hanford-platsen , även om endast Portal fick besöka den, och eftersom han inte var en vetenskapsman, hade han inte fört tillbaka mycket användbar information.

Det uppskattades att en vattenkyld reaktor av storleken på B-reaktorn i Hanford krävde cirka 30 miljoner imperialistiska gallon (140 megaliter) vatten per dag, och den måste vara exceptionellt ren för att den inte skulle korrodera rören som håller uranbränslestavarna. Eftersom vatten absorberade neutroner skulle en förlust av kylvatten inte bara innebära en temperaturhöjning, utan skulle också utlösa en ökning av antalet neutroner i reaktorn, skapa fler klyvningar och öka temperaturen ytterligare, vilket möjligen skulle resultera i en kärnsmälta och utsläpp av radioaktiva klyvningsprodukter . Groves anförtrodde britterna 1946 att han "inte skulle bli förvånad över att bli kallad till telefonen någon morgon för att höra nyheten om att en av högarna hade gått upp."

Plats

  För att minimera denna risk hade amerikanerna fastställt strikta lokaliseringskriterier. Reaktorerna skulle placeras 50 miles (80 km) från vilken stad som helst med en befolkning på över 50 000, 25 miles (40 km) från en av över 10 000 och 5 miles (8,0 km) från en av över 1 000, och skulle byggas 5 mil från varandra. Groves hade också en 30 mil (48 km) fyrfilig motorväg byggd för att evakuera Hanford-området i en nödsituation. Om sådana kriterier hade tillämpats i Storbritannien skulle hela England och Wales ha uteslutits, och bara norra och västra Skottland kvar.

Möjligheten att bygga reaktorer i Kanada föreslogs av Chadwick och Cockcroft och stöddes starkt av fältmarskalken Lord Wilson , chefen för British Joint Staff Mission, och amerikanerna, men avvisades av den brittiska regeringen. Kanada låg utanför pundområdet och byggkostnaderna kunde endast täckas genom ytterligare lån från Kanada. Under omständigheterna skulle reaktorerna ägas och kontrolleras av den kanadensiska regeringen, och detta kunde den brittiska regeringen inte acceptera.

Map
Placeringen av Windscale Piles

En konsulterande ingenjörsfirma togs in för att ge råd om möjliga platser. Två föreslogs: Harlech i Wales och Arisaig i Skottland. Hinton motsatte sig Harlech på grund av dess historiska associationer, och för att alltför många människor bodde i närheten. Det lämnade Arisaig, och platsens avlägset läge förebådade svårigheter med kommunikationer och att hitta kvalificerad arbetskraft. Vid denna tidpunkt började Risley ompröva tekniken för en luftkyld reaktor. RG Newell, som hade varit chef för ingenjörssektionen vid Montreal Laboratory i krigstid, föreslog i en tidning från 1946 att reaktorn skulle inkapslas i ett tryckkärl. Detta skulle göra det säkrare, och det skulle tillåta mer värme att erhållas från en given kärnstorlek.

En annan, av Risley-ingenjörerna DW Ginns, HH Gott och JL Dickson, lade fram en rad förslag för att öka effektiviteten hos ett luftkylningssystem. Dessa inkluderade att lägga till fenor till aluminiumburkarna som innehåller uranbränsleelementen för att öka deras yta; och att kylluften kommer in i reaktorn centralt så att den kan strömma utåt istället för att pumpas från ena änden till en annan. Dessa förändringar gjorde att kylningen kunde genomföras med mycket mindre pumpkraft. Harwells ingenjörer J. Diamond och J. Hodge genomförde en serie tester som visade att med dessa innovationer skulle luft vid atmosfärstryck räcka för att kyla en liten reaktor för plutoniumproduktion, men inte en stor för kärnkraft .

Hinton uppskattade att utskänkning av vattnet skulle minska kostnaderna med 40 procent; designen var enklare och tiden att bygga den var mindre. Han rekommenderade Portal att konstruktionsarbetet på vattenkylda reaktorer skulle slopas och allt arbete koncentreras till luftkylda och trycksatta gaskylda konstruktioner, varvid de senare ses som framtidens väg. Arbetet med vattenkylda konstruktioner avslutades i april 1947. Lokaliseringskriterierna var nu lättade och den tidigare ROF Drigg- platsen vid Cumberlands kust valdes ut.

En komplikation var att Courtaulds planerade att använda den gamla anläggningen vid närliggande ROF Sellafield för att producera rayon . Med tanke på att arbetsmarknaden i området inte kunde bära två stora projekt drog sig Courtaulds tillbaka och avstod från den 300 tunnland stora (120 ha) platsen. Det ansågs vara en mer lämplig plats för en reaktor. Användningen överensstämde med planeringsförslag för Lake District National Park ; vatten var tillgängligt från Wast Water utan ingenjörsarbete; och platsen hade redan ett järnvägsspår och några kontors- och servicebyggnader, vilket sparade byggtid och ansträngning. För att undvika förväxling med kärnbränsleproduktionsplatsen vid Springfields ändrades namnet till Windscale, vilket faktiskt var namnet på en bluff med utsikt över Calder River på platsen.

    En enskild reaktor kostade 20 miljoner pund, men två kunde byggas för mellan 30 miljoner och 35 miljoner pund. Antalet som behövdes berodde på antalet bomber som krävdes. I sin rapport till Attlee den 1 januari 1946 rekommenderade stabscheferna att två skulle byggas, men för tillfället var den fixerad vid en reaktor som kunde producera 15 bomber per år. I sitt tal till underhuset den 8 oktober 1946 hänvisade Attlee indirekt till beslutet att bygga pålarna:

Som kammaren vet har regeringen redan inrättat en stor forskningsanläggning och vi ordnar produktion av klyvbart material för den anläggningen och för andra ändamål; och ansvaret har lagts på försörjningsministern; och detta lagförslag kommer att ge honom de nödvändiga befogenheterna för att ta ansvar. Jag kan inte berätta för kammaren exakt vad den framtida kostnaden kommer att bli. Det redan godkända arbetsprogrammet kommer att kosta ungefär 30 miljoner pund, men programmet hålls ständigt under översyn, och det kan mycket väl hända att utgifter i mycket större skala kan bli nödvändiga om vi ska spela vår roll.

Med beslutet att byta till luftkylning godkände Gen 75-kommittén konstruktionen av två luftkylda reaktorer och avvisade ett förslag från Hinton om att den andra reaktorn skulle vara en tryckgasreaktor. Planerna på en tredje reaktor lades ner 1949 under amerikansk press för att minska efterfrågan på uran.

Konstruktion

Designen av Windscale Pile No. 1, med en av de många bränslekanalerna som visas
Ett utskuret diagram av Windscale-reaktorn

Platsen var uppdelad i tre områden: ett reaktorområde; ett serviceområde som innehåller kontor, pannrum , verkstäder, en brandstation och andra bekvämligheter; och ett kemiskt område där anläggningen för separering av plutonium låg, tillsammans med laboratorier och annan stödjande infrastruktur. Arbetet påbörjades i september 1947. På sin höjdpunkt sysselsatte platsen en byggnadsarbetare på över 5 000 man, tillsammans med 300 professionell personal som arkitekter, ingenjörer och lantmätare. Det var svårt att hitta tillräckligt med arbetskraft lokalt, så arbetare lockades till platsen från andra områden med löfte om höga löner och övertid . Hutted läger upprättades för dem med matsalar och andra bekvämligheter. Ingenjörer var inte mindre tveksamma till att flytta till Windscale. Tjänsten som platsingenjör gavs till W. Davies från Harwell, med TG Williams och A. Young som hans assistenter.

Reaktorerna och deras omgivande strukturer vägde vardera 57 000 långa ton (58 000 t), och det var oerhört viktigt att de inte skiftade på grund av markrörelser. För att bestämma den underliggande jordens och bergets bärande egenskaper borrades hål på olika ställen. På basis av resultaten av detta beslutades att varje reaktor skulle sitta ovanpå en armerad betongplatta 200 fot (61 m) bred, 100 fot (30 m) och 10 fot (3,0 m) tjock. För att undvika risken för att det skulle krympa kontrollerades förhållandet mellan vatten och cement noggrant, och ordningen i vilken betongen hälldes gjordes för att maximera torktiden. Strukturen ovan måste placeras med en tolerans på 1 ⁄ 2 tum (13 mm) i 100 fot (30 m).

Grafit

Grafiten till neutronmoderatorn måste vara så ren som möjligt, eftersom även de minsta föroreningarna kunde fungera som neutrongifter som skulle hindra reaktorns drift. Normal industriell grafit skulle inte duga. Britterna hade uteslutits från det arbete som Manhattan-projektet hade utfört på detta område, men Union Carbide , amerikanernas huvudleverantör av grafit, hade dotterbolag i Storbritannien och Kanada, brittiska Acheson i Sheffield och Electro-Metallurgical Company i Welland, Ontario . Den senare hade en hel del teknisk information om tillverkning av ren grafit som den var villig att dela med sig av.

Beställningar gjordes hos Welland på 5 000 långa ton (5 100 t) och hos Acheson på 1 000 långa ton (1 000 t). 1948 gick Welland till en brådskande begäran om ytterligare 800 långa ton (810 ton) för Windscale som ett resultat av en omkonstruktion av reaktorerna. Allt gick bra fram till slutet av 1948, då kvaliteten på grafiten från båda företagen plötsligt och hastigt sjönk. Båda köpte högkvalitativ petroleumkoks från Sarnia, Ontario , där den tillverkades av den exceptionella rena råoljan från Loudon Oil Field i Illinois. Hinton flög till Kanada och besökte raffinaderiet i Sarnia, där det konstaterades att Loudonoljan inte hade avskiljts ordentligt från olja från andra fält.

Grafiten fick skäras till block och ordnas så att det blev kanaler genom kärnan. Detta krävde toleranser på 1 ⁄ 1000 tum (0,025 mm). Det var viktigt att inga föroreningar skulle plockas upp från damm medan grafiten bearbetades, så en speciell anläggning etablerades, med en ren miljö. Arbetarna bar speciella kläder. Grafit är tätt och sliter snabbt ut skärverktygen. Ett volframverktyg utvecklades för ändamålet. Liknande rutiner följdes när reaktorn monterades, med arbetarna klädda i speciella kläder och luften inuti den biologiska skölden filtrerades för att avlägsna damm.

Britterna hade liten erfarenhet av grafitens beteende när de exponerades för neutroner. Den ungersk-amerikanske fysikern Eugene Wigner hade upptäckt när han arbetade vid Manhattan Projects Metallurgical Laboratory i Chicago att grafit, när den bombarderas av neutroner, lider av dislokationer i sin kristallina struktur, vilket orsakar en uppbyggnad av potentiell energi. De brittiska forskarna var medvetna om detta; det var en av anledningarna till valet av luftkylning framför vattenkylning, eftersom vattenkanalerna kan ha blivit blockerade på grund av grafitens expansion. När Walter Zinn , chefen för Argonne National Laboratory , besökte Storbritannien 1948, gav han ytterligare information till de brittiska forskarna. Expansionen, informerade han dem, var vinkelrät och inte parallell med extruderingsaxlarna. När ingenjörerna på Risley räknade om expansionen av grafiten med hjälp av data från Zinn upptäckte de att deras reaktordesign inte skulle fungera.

Detta var en besvikelse, eftersom det redan var under konstruktion och grafitblocken redan var under bearbetning. En omdesign krävdes och de kom fram till en genialisk lösning. Grafitblocken lades på ändan så att det inte skulle bli någon vertikal expansion, och varje block försågs med spelrum så att det kunde expandera horisontellt. Blocken säkrades i horisontalplanet med galler av grafitlameller utskurna från blocken längs extruderingsaxeln. I mars 1949 rapporterade Harwell att brittisk grafit betedde sig något annorlunda än amerikansk grafit och expanderade något längs den horisontella axeln. Detta hade potential att minska reaktorns livslängd till bara två och ett halvt år.

För att rätta till detta togs ytterligare designförändringar fram, men fler tester vid Chalk River visade att expansionen inte var så stor som den som förutspåddes från amerikanska data, och på grundval av detta beslutade Hinton att återgå till 1948 års design. Grafiten i varje reaktor var anordnad i en 25 x 50 fot (7,6 x 15,2 m) åttakantig stapel som vägde cirka 2 000 långa ton (2 000 t). Reaktorn var innesluten i en biologisk skärm av betong 7 fot (2,1 m) tjock, som var fodrad med stålplåtar som gav en termisk skärm.

Med tanke på säkerheten om Wigner- energiuppbyggnaden, uppskattade Hinton att reaktorernas livslängd skulle vara cirka fem år – högst tio. Forskarna var mer optimistiska och förutspådde en livstid på femton till trettiofem år, men medgav att Wigner energiinducerad expansion kan få grafiten att spricka innan dess. Harwell-fysikern William Marley, som hade arbetat vid Manhattan-projektets Los Alamos Laboratory under kriget, hade varnat för möjligheten att en brand i en kontrollstav skulle förvärras av frigörandet av Wigner-energi, och när Edward Teller besökte Harwell 1948, varnade för att en Wigner-energiutlösning kan antända en bränslestav. De brittiska forskarna var dock säkra på att risken var liten jämfört med den för en vattenkyld reaktor.

Bränsle

Kärnan i reaktorerna bestod av ett stort grafitblock med horisontella kanaler genomborrade för bränslepatronerna. Varje patron bestod av en cirka 30 centimeter lång uranstav innesluten i en aluminiumbehållare för att skydda den från luften, eftersom uran blir mycket reaktivt när det är varmt och kan fatta eld. Patronen var flänsad, vilket gjorde att värmeväxling med omgivningen kunde kyla bränslestavarna medan de var i reaktorn. Stavar trycktes i den främre delen av kärnan, "laddningsytan", med nya stavar som lades till med en beräknad hastighet.

Detta tryckte de andra patronerna i kanalen mot baksidan av reaktorn, vilket så småningom fick dem att falla ut på baksidan, "urladdningsytan", in i en vattenfylld kanal där de svalnade och kunde samlas upp. Kedjereaktionen i kärnan omvandlade uranet till en mängd olika isotoper, inklusive en del plutonium, som separerades från de andra materialen med hjälp av kemisk bearbetning. Eftersom detta plutonium var avsett för vapenändamål, hölls utbränningen av bränslet låg för att minska produktionen av de tyngre plutoniumisotoperna som plutonium-240 och plutonium-241 .

När bygget fortskred fick Hinton oroande nyheter från Cockcroft i Harwell att den kritiska massan av Pile nr 1 var större än man först trodde. No. 2 Pile var i bättre form, tack vare användandet av grafit av högre kvalitet. För att förbättra situationen reducerades mängden neutronabsorberande aluminium genom att trimma en 1 ⁄ 16 tum (1,6 mm) remsa av fenorna på varje bränslepatron. En miljon fenor klipptes på plats i augusti och september 1950 av ett team ledd av Tom Tuohy . Reaktiviteten förbättrades också genom att minska storleken på kanalerna genom vilka kylluften tvingades. Nya grafitsulor tillverkades för grafitskorna som höll bränslepatronerna.

Grafitblocket genomborrades av 3 440 bränslekanaler, arrangerade i grupper om fyra. Var och en laddades med en sträng av 21 flänsförsedda aluminiumpatroner innehållande uran. Patronerna tömdes ur genom att trycka ut dem på andra sidan, där de föll i en skip . Därifrån fördes de till en servicedamm där de hölls tills de mest radioaktiva fissionsprodukterna sönderföll. Därifrån skickades de till separationsanläggningen för dekantering och bearbetning.

Effektnivån i kärnan reglerades av 24 styrstavar av borstål . Bor är en kraftfull neutronabsorbator; stålet var för styrka. Tjugo av dessa var grova kontrollstavar och fyra för finjustering. De kan flyttas individuellt eller i grupp. I nödfall fanns det också sexton vertikala felsäkra stavar som hölls ovanför av elektromagneter som kunde falla ner i kärnan under tyngdkraften med en knapptryckning. De hade mer än tillräckligt med neutronabsorberande kapacitet för att stänga av reaktorn.

Kylningen skedde genom konvektion genom en 410 fot (120 m) hög skorsten, vilket kunde skapa tillräckligt med luftflöde för att kyla reaktorn under normala driftsförhållanden. Skorstenen var anordnad så att den drog luft genom kanalerna i kärnan och kylde bränslet via fenor på patronerna. Den första skorstenen byggdes vintern 1950–51. Ytterligare kylning tillhandahölls av åtta större fläktar, arrangerade med fyra i vart och ett av två fläkthus utanför den biologiska skölden. Det fanns också två extra boosterfläktar och fyra avstängningsfläktar som användes när reaktorn inte var igång för att avlägsna restvärme.

Instrumentering innefattade anordningar för att mäta temperatur och neutronflöde i kärnan, hastigheten på fläktarna, styrstavarnas lägen och det fanns olika larm. Statiska luftprovtagningsanordningar i luftkanalerna mätte radioaktiva utsläpp. Dessa kunde snabbt upptäcka, men inte lokalisera, en burst patron. Burst Cartridge Detector Gear (BCDG) var placerad på baksidan av varje reaktor. Var och en hade 32 munstycken som kunde prova luften från 32 kanaler åt gången. Ett svep av alla kanaler tog cirka 57 minuter. En burst patron skulle därigenom kunna lokaliseras.

Man funderade mycket på vad som skulle hända om en av bränslepatronerna skulle gå sönder. Detta skulle frigöra högradioaktiva klyvningsprodukter och oxidation av uranet kan orsaka brand. Med 70 000 patroner verkade en misslyckad en oundviklig. Vid ett besök i X-10 Graphite Reactor vid Oak Ridge National Laboratory i USA fann Cockcroft att uranoxidpartiklar hade upptäckts i närheten. Han var orolig nog att beordra att luftfilter skulle installeras, eftersom de hade varit i grafitforskningsreaktorn vid Brookhaven National Laboratory .

Medan ledningen på Risley tog detta lugnt, var ingenjörerna imponerade. Den logiska platsen att placera luftfilter på var längst ner i en skorsten, men de första 21 meterna av skorstenen på nr 1 Pile hade redan byggts. De fick därför gå på toppen. D. Dick, byggnadsingenjören vid ministeriet för arbeten, tog fram en design. Konstruktionen involverade materialen för att bygga dem, vilket inkluderade 200 långa ton (200 ton) konstruktionsstål, plus tegelstenar, betong och utrustning, som hissades upp till toppen av de 120 fot långa skorstenarna. De gav skorstenarna ett distinkt utseende och hånades som " Cockcrofts dårskap " av arbetarna och ingenjörerna. Senare upptäcktes att uranoxiden vid Oak Ridge hade kommit från den kemiska separationsanläggningen där, och inte reaktorn.

Operationer

Börja

Högen nr 1 blev kritisk i oktober 1950, men dess prestanda var cirka 30 procent under dess designade betyg. Högen nr 2 blev kritisk i juni 1951 och fungerade snart på 90 procent av sin designade effekt. Pålarna hade designats för att producera 90 kg plutonium årligen. De första bestrålade bränslestavarna skickades för bearbetning i januari 1952, och Tom Tuohy hämtade det första provet av brittiskt plutonium den 28 mars 1952. Tillräckligt plutonium från Windscale för en atombomb levererades till vapendivisionen i Aldermaston i augusti, och Storbritanniens första kärnvapen enheten detonerades framgångsrikt i Operation Hurricane -testet på Monte Bello-öarna i västra Australien den 3 oktober 1952.

Wigner effekt

Wigner-energi , om den tillåts ackumuleras, skulle kunna fly spontant i en kraftig värmerus. Den 7 maj 1952 upplevde högen nr 2 en mystisk ökning av kärntemperaturen trots att högen hade stängts av. Blåsarna startades och högen svalnade. Sedan, i september 1952, observerades en temperaturstegring i hög nr 1 medan den stängdes av. Den här gången observerades rök komma från kärnan, vilket antydde att grafiten eller bränsleelementen kanske glödde. Det uppenbara sättet att kyla kärnan var att starta fläktarna, men att tvinga in luft i den kunde starta en brand. Till slut beslutades det att starta fläktarna. Temperaturen sjönk och högen svalnade utan någon brand. I undersökningarna som följde händelsen konstaterades att röken kom från smörjolja från lagren i fläktarna, som sögs in i kärnan och förkolnade av värmen.

Undersökningarna fastställde också att de plötsliga värmeutbrotten måste ha orsakats av den spontana frigöringen av Wigner-energi. Detta oroade operatörerna, men avvecklingen av reaktorerna skulle innebära att det inte fanns något plutonium för kärnvapenprogrammet, vilket försenade det med upp till fyra år. De vände sig till den enda genomförbara lösningen, värmde upp reaktorhärden regelbundet vid avstängning i en process som kallas glödgning . När grafit värms upp till över 250 °C (482 °F) blir den plastisk, och Wigner-dislokationerna kan slappna av till sitt naturliga tillstånd. Denna process var gradvis och orsakade en enhetlig frisättning som spred sig genom kärnan.

  Detta genomfördes första gången när påle nr 2 stängdes av den 9 januari 1953. Termoelement installerades för att mäta temperaturen i kärnan och fläktarna stängdes av kl. 23:15. Reaktoreffekten höjdes sedan till 4 MW för att värma grafiten. Två av termoelementen indikerade en plötslig temperaturhöjning klockan 03:00 den 10 januari, och reaktorn stängdes av. Vid 17:00 beräknades det att den ackumulerade Wigner-energin hade släppts, och avstängningsfläktarna, och sedan huvudfläktarna, slogs på för att kyla kärnan som förberedelse för omstart.

    Från och med då fanns det periodiska utglödningar för att frigöra Wigner-energi. Inledningsvis utfördes de var 20 000 MWhr. Denna ökades sedan till var 30 000 MWhr och sedan var 40 000 MWhr. Mellan augusti 1953 och juli 1957 utfördes åtta glödgning på påle nr 1 och sju på hög nr 2. De maximala grafittemperaturerna som registrerades var mellan 310 °C (590 °F) och 420 °C (788 °F) . Forskare från Harwell var på plats under de första två eller tre, men efteråt lämnades det till operatörerna.

Wigner-utsläpp var inga experiment – ​​de var avgörande för reaktorernas fortsatta drift – men de var långt ifrån rutin heller; var och en var olika, och med tiden blev utsläpp av Wigner-energi svårare att uppnå, vilket krävde högre temperaturer. Den biträdande chefen, JL Phillips, frågade Risley om tillräckligt med termoelement kunde tillhandahållas för att ge en fullständig bild av temperaturerna i reaktorn, läsbar i reaktorns kontrollrum, för övervakning av både grafiten och bränsleelementen. Det bästa som kunde göras var att leverera 66 termoelement för grafitmätning under Wigner-släpp, och 20 för uranbränsleelementen.

Tritiumproduktion

Den 1 mars 1955 åtog sig premiärministern, Winston Churchill , offentligt Storbritannien att bygga en vätebomb och gav forskarna ett snävt schema för att göra det. Detta påskyndades sedan efter att USA och Sovjetunionen började arbeta med ett testförbud och eventuella nedrustningsavtal som skulle börja träda i kraft 1958. För att klara denna tidsfrist fanns det ingen chans att bygga en ny reaktor för att producera det nödvändiga tritiumet (kodnamnet AM ) , så Windscale Piles producerade tritium genom bestrålning av litium - magnesium , varav den senare skulle producera tritium under neutronbombardemang.

Ursprungligen var dessa i form av 0,5 tum (13 mm) diameter stavar i en isotopburk, men de ersattes snart av större 0,65 tum (17 mm) diameter stavar i en aluminiumburk, innesluten i en blyring som lades till vikt, som i sin tur var innesluten i en yttre aluminiumburk. Det fanns farhågor för att blyet skulle smälta, så detta ersattes i december 1956 av en patron i vilken en stav med en diameter på 1,0 tum (25 mm) var inkapslad i aluminium utan ring eller yttre burk.

Förutom plutonium och tritium producerade Windscale Piles också polonium-210 (kodnamn LM) för neutroninitiatorerna som användes i bomberna genom bestrålning av vismut . Det förekom också viss produktion av kobolt och kol-14 för medicinska och forskningsändamål. Alla dessa föremål absorberade neutroner, särskilt AM-patronerna. För att kompensera, under andra halvan av 1953, modifierades bränslebelastningen genom att tillsätta något anrikat uran, som nu blev tillgängligt från gasdiffusionsanläggningen i Capenhurst .

Patroner

Med 70 000 bränsleelement förväntades några sprängda patroner. Det betydde inte att patronen sprack, bara att detektorerna plockade upp något. Ofta fanns det mikroskopiska hål för små för att se. Endast tre sprängningar registrerades 1951 och tio 1952. Ett allvarligare problem var patroner som blåstes ut ur reaktorn av kylluften. När högen nr 2 stängdes av för underhåll i maj och juni 1952 hittades cirka 140 förskjutna patroner. Reaktorns utloppsyta var mycket radioaktiv, så inspektioner måste utföras med ett periskop.

I juli och augusti 1955 upptäckte miljöundersökningar runt Windscale med en ny undersökningsteknik hot spots som orsakades av partiklar av uranoxid. Källan spårades till tretton urladdade bränslepatroner som istället för att falla ner i utloppskanalen och landa i tankarna, hade slagit över och landat i luftkanalen bortom. I högtemperaturmiljön hade uranet i dem oxiderat med tiden. Luftfiltren skulle fånga upp sådana partiklar, men vid inspektion visade sig några av filtren vara felaktiga. Man uppskattade att minst 50 g radioaktivt material hade rymt ut. Filtren reparerades. Sedan, i januari 1957, upptäcktes två patroner som hade fastnat i skanningsutrustningen. I juli 1957 skapade strontium-90-nivåerna runt Windscale oro, och strontium-90-nivåerna i mjölk i området hade nått två tredjedelar av de acceptabla nivåerna för spädbarn.

Filtren kostar cirka £3 000 per vecka i extra fläktkraft. Eftersom reaktorerna hade varit i drift ett tag utan incidenter föreslog Hinton att de skulle tas bort. Gethin Davey, general manager på Windscale, motsatte sig detta, och arbetskommittén ställde sig på hans sida. Filtren fanns kvar. De var tvungna att tåla 1 långt ton (1,0 t) varmluft per sekund i hastigheter på upp till 2 000 fot per minut (37 km/h). De ursprungliga filterkuddarna var gjorda av glasull. De var avsedda att tvättas och återanvändas, men de tenderade att gå sönder och tvättning minskade deras effektivitet. 1953 började ansträngningarna att förbättra filtren.

En ny typ av filter prövades som var gjorda av glasfibrer som sprayades med mineralolja. Denna typ måste bytas ut var tionde dag. Under trycket av varm luft försvann mineraloljan och de blev mindre effektiva. En ny typ av filter utvecklades då som använde glasfibrer bundna med harts och behandlade med en silikonolja. Dessa var mycket mer effektiva. Installationen påbörjades sommaren 1957 och det var meningen att denna typ skulle vara helt installerad i slutet av 1957.

Olycka

Huvudartikel: Vindskalsbrand

  I början av oktober 1957 hade påle nr 1 nått 40 000 MWhr-gränsen och det var dags för den nionde glödgningen. Inte bara var bestrålningsperioden längre än hittills, utan vissa delar av reaktorn hade inte glödgats av den tidigare uppvärmningen och hade därför bestrålats ännu längre. Reaktorn stängdes av klockan 01:13 den 7 oktober 1957 och huvudfläktarna stängdes av. De 66 termoelementen kontrollerades och de felaktiga byttes ut. Avstängda fläktar stängdes av och klockan 17:00 började de grova styrstavarna långsamt dras in tills reaktorn återigen blev kritisk klockan 19:25.

  Senast klockan 01:00 den 8 oktober visade reaktoreffektmätaren 1,8 MW. Två av termoelementen visade nu en temperatur på 250 °C (482 °F), så kontrollstavarna sattes in igen och reaktorn stängdes av klockan 04:00. Vid 09:00 visade de flesta termoelementen att temperaturerna föll, så den jourhavande fysikern Ian Robertson bestämde sig för att värma upp reaktorn igen. Detta hade gjorts 1954 och 1955, men inte förrän 24 timmar hade gått och alla termoelement visade att temperaturen höll på att sjunka. 1956 gjordes det när alla utom en indikerade att det höll på att tappa. Styrstavarna drogs därför tillbaka igen och reaktorn blev kritisk vid 11:00-tiden. Uppvärmningen fortsatte till och med den 9 oktober, med grafittemperaturer som registrerades runt 350 °C (662 °F).

Särskilt en kanal, 20/53, väckte oro. Dess temperatur klättrade till 405 °C (761 °F). Spjällen öppnades under några minuter för att tillåta luft att strömma in i skorstenen, vilket gav en kylande effekt. Detta upprepades tre gånger tills temperaturen började sjunka överallt utom i 20/53. De öppnades i 15 minuter klockan 12:00 den 10 oktober och sedan fem minuter klockan 13:40. Under dessa öppningar upptäcktes förhöjda nivåer av radioaktivitet i skorstenen, vilket tyder på att patronen har spruckit. Klockan 13:45 slogs avstängningsfläktarna på för att kyla reaktorn så att den sprängda patronen kunde lokaliseras.

Liksom under tidigare glödgning hindrade den höga temperaturen Burst Cartridge Detector Gear från att fungera. Klockan 16:30 var temperaturen i kanal 21/53 450 °C (842 °F) och pluggen som täckte den och de tre angränsande kanalerna öppnades för att möjliggöra en visuell inspektion, och metallen glödde. En litium-magnesiumpatron ska ha spruckit och fattat eld. Davey, som var sjuk i influensa, ringdes upp klockan 15:45 och sedan hans ställföreträdare, Tuohy, som var frånvarande och tog hand om sin familj som hade influensa, klockan 17:00. Vid 20:00 sågs gula lågor på baksidan av reaktorn; vid 20:30 var de blå, vilket tydde på att grafit brann.

Cirka 120 kanaler var inblandade. Män i skyddsdräkter och masker använde stålstavar för att trycka ut bränsleelement på baksidan av reaktorn, men några satt fast och kunde inte flyttas. Stålstavarna blev glödheta och ställningsstolpar användes. Det beslutades att rensa de omgivande kanalerna för att skapa ett brandskydd. Vid ett tillfälle var detta tvunget att avbrytas för att tillåta byte av hopp, för att undvika en kritisk risk där. En tankbil med koldioxid togs in från Calder Hall , som använde den som kylvätska.

Klockan 04:30 den 11 oktober matades koldioxiden in i kanal 20/56, men det hade ingen märkbar effekt. Klockan 07:00 beslutades det att släcka branden med vatten, en potentiellt farlig åtgärd eftersom den kan orsaka en väteexplosion . Pumparna hade varit på plats sedan 03:45, men det blev en fördröjning medan skiftet byttes och personalen tog skydd. Slangarna slogs på klockan 08:55 och hälldes i två kanaler ovanför elden, initialt med en hastighet av 300 imperial gallons per minut (23 L/s).

Denna ökades till 800 imperial gallons per minut (61 L/s), men utan märkbar effekt. Avstängda fläktar stängdes av klockan 10:10 och branden började fås under kontroll. Ytterligare två slangar anslöts vid 12:00 och flödet ökades till 1 000 imperial gallons per minut (76 L/s). Flödet började minskas klockan 06:45 den 12 oktober och stängdes av klockan 15:10, då branden var släckt och reaktorn kall.

Radioaktivt utsläpp

Det släpptes ut till atmosfären av radioaktivt material som spred sig över Storbritannien och Europa. Olyckan klassades som en nivå 5 (av en maxnivå på 7) på International Nuclear Event Scale . Skorstensfiltren fick kredit för att bibehålla partiell inneslutning och därmed minimera det radioaktiva innehållet i röken som vällde ut från skorstenen under branden. Detta inkluderade en stor mängd tritium, men det visade sig vara en försumbar radiologisk fara jämfört med andra radionuklider. Branden släppte uppskattningsvis 600 terabecquerels (16 000 Ci) jod-131 , 4,6 terabecquerels (120 Ci) cesium-137 , 8,8 terabecquerels (240 Ci) polonium-210 och 12 200 terabecquerels (12 000 x 300 ci) .

Jod-131, som kan leda till sköldkörtelcancer , gav det mest betydande bidraget till den samlade dosen på den allmänna befolkningen. Polonium-210 och cesium-137 var också signifikanta. Det har uppskattats att händelsen orsakade ytterligare 240 cancerfall. Av dessa berodde cirka 100 dödliga och 90 icke-dödliga sköldkörtelcancer på jod-131, och 70 dödliga och 10 icke-dödliga, mestadels lungcancer, berodde på polonium-210.

Bärgningsverksamhet

Reaktorn skadades så att den inte kunde repareras, men där det var möjligt togs bränslestavarna bort och reaktorns biosköld förseglades och lämnades intakt. Cirka 6 700 brandskadade bränsleelement och 1 700 brandskadade isotoppatroner finns kvar inuti. Den skadade kärnan var fortfarande något varm till följd av fortsatta kärnreaktioner. År 2000 uppskattades det att den fortfarande innehöll:

och mindre mängder andra radionuklider . Högen nr 2, fastän oskadad av branden, ansågs vara för osäker för fortsatt användning och stängdes av kort därefter. Inga luftkylda reaktorer har byggts sedan dess. Det slutliga avlägsnandet av bränsle från den skadade reaktorn var planerad att påbörjas 2008 och pågå i ytterligare fyra år. Inspektioner visade att det inte hade inträffat någon grafitbrand, och skadorna på grafiten var lokaliserade, orsakade av kraftigt överhettade uranbränslepatroner i närheten.

undersökningsnämnd

En undersökningsnämnd sammanträdde under Penneys ordförandeskap den 17–25 oktober 1957. Dess rapport ("Penney-rapporten") överlämnades till ordföranden för United Kingdom Atomic Energy Authority och utgjorde grunden för den vitbok som lämnades till parlamentet i November 1957. Själva rapporten släpptes på Public Record Office i januari 1988. 1989 släpptes en reviderad utskrift, efter arbete med att förbättra transkriptionen av originalinspelningarna.

Penney rapporterade den 26 oktober 1957, sexton dagar efter att branden släckts, och kom fram till fyra slutsatser:

  • Den främsta orsaken till olyckan var den andra kärnkraftsuppvärmningen den 8 oktober, som tillämpades för tidigt och för snabbt.
  • Åtgärder som vidtagits för att hantera olyckan var, när de väl upptäcktes, "snabb och effektiv och visade en stor hängivenhet för plikt från alla berörda parter".
  • Åtgärder som vidtagits för att hantera konsekvenserna av olyckan var adekvata och det hade inte skett "ingen omedelbar hälsoskada för någon av allmänheten eller för arbetarna på Windscale". Det var högst osannolikt att några skadliga effekter skulle utvecklas. Men rapporten var mycket kritisk till tekniska och organisatoriska brister.
  • En mer detaljerad teknisk bedömning behövdes, vilket ledde till organisatoriska förändringar, tydligare ansvar för hälsa och säkerhet och bättre definition av stråldosgränser.

De som hade varit direkt involverade i händelserna blev uppmuntrade av Penneys slutsats att de vidtagna stegen hade varit "snabb och effektiv" och hade "visat avsevärd hängivenhet för plikt". Vissa ansåg att beslutsamheten och det mod som Tuohy visade, och den avgörande roll han spelade i motviljan mot fullständig katastrof, inte hade erkänts ordentligt. Tuohy dog ​​den 12 mars 2008; han hade aldrig fått någon form av offentligt erkännande för sina avgörande handlingar. Undersökningsnämndens rapport drog officiellt slutsatsen att branden hade orsakats av "ett bedömningsfel" av samma personer som sedan riskerade sina liv för att begränsa branden.

Nyheten om branden överskuggades av Sputnikkrisen . Det föreslogs senare av Lord Stockton , sonson till Harold Macmillan , som var premiärminister vid tidpunkten för branden, att den amerikanska kongressen kan ha blockerat 1958 års avtal mellan USA och Storbritannien om ömsesidigt försvar mellan Macmillan och USA:s president Dwight Eisenhower för gemensam kärnvapenutveckling om de hade vetat att det berodde på hänsynslösa beslut från den brittiska regeringen, och att Macmillan hade täckt över vad som verkligen hände. Tuohy sa om tjänstemännen som berättade för USA att hans personal hade orsakat branden att "de var en dusch av jävlar".

Avveckling

Området 2005. En av skorstenarna är redan delvis riven.

1971 års Atomic Energy Authority Act skapade British Nuclear Fuels Ltd (BNFL) från produktionsavdelningen av United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA). Mycket av Windscale-platsen överlämnades till BNFL, men Windscale-högarna förblev hos UKAEA. Den del av platsen som kontrolleras av BNFL döptes om till Sellafield 1981, men UKAEA-delen behöll namnet Windscale. Nuclear Decommissioning Authority övertog ansvaret för anläggningen när den bildades den 1 april 2005. Efter en omstrukturering av BNFL 2008 övergick ansvaret för dess del av anläggningen till Sellafield Ltd. Detta inkluderade upparbetnings- och avfallslagringsanläggningarna.

Avvecklingsarbetet påbörjades på 1980-talet, med tätning av en biosköld, installation av ventilation och övervakning, avlägsnande av lösa bränsleelement utanför härden och dränering av vattenkanalen. 50-årsdagen av olyckan medförde ökat tryck för att städa upp platsen för gott. Eftersom processen med glödgning av grafiten inte avslutades, förblev den möjliga Wigner-effekten ett problem. Även om det ansågs osannolikt, fanns det möjligheten att en del av uranet hade reagerat med vattenångan för att bilda pyrofor uranhydrid ( UH
3 ); uran som exponeras för luft bildar urandioxid ( UO
2 ). Den största faran var den för en grafitdammexplosion, men med 15 ton (15 långa ton) uran i reaktorn fanns det fortfarande en avlägsen möjlighet för en kritisk olycka .

Pile Fuel Storage Pond (PFSP), där de bestrålade patronerna en gång lämnades att svalna, avvecklades 2013. Rivningsarbetet började på de framstående skorstenarna senare samma år. De förorenade filtren togs bort efter branden och skorstenen på påle nr 2 revs delvis 2001. De förorenade skorstenarna kunde inte bara vältas, så de måste rivas systematiskt uppifrån och ned med kärnborrar, och spillror transporteras till marken ett ton åt gången på en liten godshiss. Cirka 5 000 ton (4 900 långa ton) betong, stål och tegel måste avlägsnas.

En robot användes för att ta bort skorstenens foder. Cockcrofts son Chris och barnbarnet John var på plats för att titta på rivningen av de ikoniska filtergallerierna ovanpå skorstenarna. Planerna krävde att bränslet och isotoperna skulle avlägsnas från Windscale-högarna senast 2030. Medan arbetet påbörjades på 1980-talet, beräknas kärnkraftsavvecklingen pågå efter 2040.

Anteckningar

externa länkar

Koordinater :

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Windscale_Piles&oldid=1144225460 "