Октябрьским днем 1957 года в воздухе из 120-метровой трубы, возвышавшейся над промзоной Виндскейл в безлюдной местности на северо-западном побережье Англии, был зафиксирован скачок радиоактивности. Работники знали, что все должно быть чисто, а потому данные могли означать лишь одно: реактор, на котором производят плутоний для атомных бомб, горит. И если пожар не остановить, все может закончиться очень плохо. Случившееся в те дни стало крупнейшей в мире ядерной аварией до американского Три-Майл-Айленд и взрыва на Чернобыльской АЭС. Впрочем, у Британии мог бы быть свой «Чернобыль», если бы один ученый не проявил настойчивость несколькими годами ранее. Рассказываем о самом серьезном ядерном инциденте в истории этой страны, полная информация о котором скрывалась десятки лет.
Основным источником для нашей статьи стал официальный отчет об инциденте, составленный в 1957 году под руководством физика сэра Уильяма Пенни, а также вышедшая в 2007-м книга исследовательницы Лорны Арнольд «Виндскейл 1957: анатомия ядерной аварии».
Гонка
1945 год. Вторая мировая война завершилась, но мировая ядерная гонка в самом разгаре. Британцы уже давно активно вели исследования в этом направлении, и именно их разработки по делению урана и идеи по созданию плутония для атомной бомбы, переданные американцам, стали ключевыми для старта Манхэттенского проекта, который завершился для США созданием ядерного оружия. Однако во время войны, под авиаударами и угрозой вторжения, с постоянной нехваткой сырья и средств британцам было не до постройки своих реакторов и предприятий по обогащению урана. Исследования продолжались небольшой группой ученых в проекте под кодовым названием «Трубные сплавы», но им удавалось мало.
Американцы тем временем, имея возможность спокойно работать вдали от фронта и задействовав лучших физиков мира (в том числе сбежавших от нацизма), резко вырвались вперед. В 1943-м усилия объединили, и часть британских ученых взяли в Манхэттенский проект. Другие вместе с эвакуировавшимися французскими коллегами вели работу в Канаде. Среди них был и Джон Кокрофт, который в 1932 году в лаборатории в Кембридже впервые расщепил ядро атома с помощью специального ускорителя частиц, сумев преобразовать литий в гелий и другие химические элементы.
Однако с окончанием войны особое атомное сотрудничество у союзников резко закончилось: делиться своими наработками США больше не хотели. У Британии были ученые и знания, но не было собственных площадок для практической реализации проектов. Американцы тем временем уже испытали первые ядерные бомбы в чудовищных взрывах в Хиросиме и Нагасаки. Британцы не хотели отставать, потому что понимали: в ближайшем будущем без статуса ядерной державы претендовать на мировое лидерство их распадающаяся империя не сможет.
Правительство Великобритании под руководством Уинстона Черчилля решает срочно запускать собственную ядерную программу. Джон Кокрофт возвращается из Канады и в октябре 1945 года становится директором новосозданного Исследовательского центра по атомной энергии (AERE) в Харвелле под Оксфордом. Именно эта организация будет главным центром разработок в области атомной энергетики в Соединенном Королевстве с 1940-х по 1990-е годы. Закипает работа над ядерным оружием. Впрочем, важна была и мирная цель — обеспечить страну атомной энергией, энергией будущего.
Виндскейлские столбы
Уже в январе 1946-го создается завод Спрингфилдс в графстве Ланкашир, который должен был производить расщепляющиеся материалы для британского атомного проекта, в первую очередь обогащенный уран. Из урановой руды добывали чистый металл, отливали в стержни и заковывали их в алюминиевую оболочку для формирования топливных элементов.
Дальше нужно было создать предприятие, где эти элементы будут подвергаться облучению в атомных реакторах, чтобы внутри из урана в результате его распада получился плутоний (этот элемент лучше подходит для ядерного оружия). Затем на этапе переработки из картриджей среди прочих продуктов деления извлекут плутоний и оставшийся почти нетронутым уран, который можно будет снова обогатить и использовать — как для оружия, так и для производства атомной энергии.
Площадкой для завода по добыче плутония было выбрано побережье Камбрии на северо-западе Англии, у границы с Шотландией. Безлюдное место, удаленное от населенных пунктов, где при этом имелась железная дорога, в достатке вода из близлежащего озера Вейкфронт и реки Колдер, некоторые постройки. Во время войны здесь был завод Селлафилд, где производили боеприпасы. Чтобы не путать со Спрингфилдсом, месту дали название Виндскейл — по имени утеса над рекой.
Вырабатывать из урана плутоний решили в ядерных реакторах типа «столб», как их называли тогда. Британцы разработали их самостоятельно. Это были графитовые реакторы на урановом топливе с воздушным охлаждением.
В ядерном реакторе есть три главных элемента: топливо, замедлитель и теплоноситель (он же одновременно и охладитель). Топливо является источником ядерной реакции. Замедлитель — это вещество, которое ловит «вылетающие» из делящихся ядер свободные нейтроны со слишком высокой скоростью и «замедляет» их, снижая их энергию до уровня, который запускает и поддерживает цепную реакцию. Благодаря этому нейтроны эффективно бьют по ядрам топлива, те делятся и выпускают новые нейтроны, те опять бомбардируют атомы, вызывая их деление, и так по кругу. В результате получаются не только новые элементы, но и огромное количество энергии — тепла. Чтобы активная зона реактора не перегрелась, лишнее тепло нужно от нее отвести — и эту задачу выполняет теплоноситель, который окружает реактор. В случае АЭС это тепло дальше используется для получения электроэнергии.
Графит тогда был популярным выбором в качестве замедлителя. Например, реактор Манхэттенского проекта в Хэнфорде был тоже на графите, но охлаждался водой. В Британии же по ряду причин (наличие подходящей воды на площадках, населенность территорий, безопасность, стоимость) было решено делать реактор не с водным, а с воздушным охлаждением. Для АЭС его не хватило бы, а вот для небольшого реактора по производству плутония — вполне.
Проект продвигался очень быстро. Строительство началось в 1947 году, а уже в октябре 1950-го первый британский промышленный реактор был запущен и вышел на уровень цепной реакции. В июне 1951-го заработал и второй Виндскейлский столб. В январе 1952-го прошедшие цикл облучения урановые картриджи передали на переработку, и в конце марта химик Том Туохи, в то время руководитель плутониевого производства, получил из них первый британский плутоний. Когда его насобирали достаточно, то передали оружейникам. 3 октября 1952 года первая британская атомная бомба была испытана на ненаселенных островах Монтебелло у берегов западной Австралии.
Казалось бы, все идет как нельзя успешнее. К тому же рядом с Виндскейлом над рекой Колдер уже строилась первая в Британии и мире станция, которая будет производить атомную энергию в коммерческих масштабах, — Колдер-Холл. Королева Елизавета II открыла ее 17 октября 1956 года. Реакторы здесь были гораздо мощнее и сложнее, чем на соседнем заводе. Правда, от общества скрыли, что и они будут задействованы в производстве составляющих для водородной бомбы.
Но еще задолго до того с Виндскейлскими столбами начались первые проблемы.
«Безумие» Кокрофта
Что представляли собой реакторы в Виндскейле? Это были здания на толстой бетонной подушке. В основании находился прямоугольный графитовый блок размерами примерно 8 на 15 метров и массой около 2000 тонн. В нем было пробурено 3440 горизонтальных сквозных каналов группами по четыре, в каждый из которых вкладывали те самые 30-сантиметровые топливные картриджи из алюминия с ураном внутри — всего более 70 000 штук. Графитовый блок был заключен в защитную «коробку» из бетона толщиной 2,1 метра, покрытую стальными пластинами — биологическую защиту, которая нужна, чтобы реактор не облучал персонал.
Когда приходило время, операторы загружали в нужный канал свежий картридж, тот выталкивал предыдущие, и с другой стороны отработавший элемент выпадал в водяной «отстойник» внизу, где ждал, пока его не заберут на переработку. Для охлаждения реактора каналы продувались воздухом, который далее уходил в высокую 120-метровую трубу — и в небо. Воздух нагнетался вентиляторами, тягу создавала и сама труба.
Главным элементом управления были контрольные стержни из борной стали. Бор поглощает свободные нейтроны, а потому введение этих элементов в каналы позволяло снизить мощность реакции и даже полностью выключить реактор. А чтобы возобновить деление, стержни из борной стали следовало достать.
Однако в этой простой конструкции были серьезные недостатки.
В реакторе 70 000 картриджей — рано или поздно один из них может повредиться, разорваться, произойдет утечка радиоактивных веществ. Реакторы были оборудованы детекторами, чтобы выявлять факт таких повреждений. Но остановить опасные вещества от вылета в трубу было нечему. А что, если от попадания воздуха уран загорится и воспламенит реактор?
Строительство уже было в разгаре, когда Джон Кокрофт, поняв эти риски, потребовал, чтобы выходные трубы оборудовали фильтрами.
«Он понимал, что если возникнет пожар, что было вероятно, то не будет возможности остановить выброс радиоактивной пыли в атмосферу», — говорил позже его сын.
Поставить фильтры внизу у реактора уже не было возможности — их оставалось поместить только на верхушки 120-метровых труб. Инженеры были недовольны внезапными переделками, это требовало дополнительного времени, материалов и денег. Многие вовлеченные в проект считали все это безумной прихотью ученого и смеялись над ним. Однако Кокрофт настоял на своем — и на обеих трубах Виндскейла появились громоздкие «колпаки» фильтров. Их прозвали Cocroft's Follies, что можно перевести как «Причуды Кокрофта» или «Безумства Кокрофта».
Как потом выяснится, разрывы картриджей будут случаться, хотя и нечасто. Хуже оказалась другая проблема: в процессе эксплуатации некоторые стержни не выпадали, а попросту вылетали из реактора с потоком воздуха и вместо водяного отстойника падали дальше, в воздуховоде. Например, в столбе-2, остановленном на обслуживание после года работы, нашли 140 выпавших мимо воды урановых стержней. Пока они там лежали, нередко поврежденные, уран окислялся, и его частицы улетали в трубу. Так вот фильтры Кокрофта по большей части удерживали их внутри, не давая попасть в окружающую среду. И все равно уровень радиации вокруг предприятия медленно подрастал.
Энергия Вигнера
Еще одной проблемой стало то, что графит как замедлитель очень сильно подвержен эффекту Вигнера: в ядерной реакции нейтроны, высвобождаясь, бьют по кристаллической решетке его атомов, заставляя часть из них перемещаться, это создает потенциальную энергию. Графит при этом «распухает», меняются даже размеры блока. При накоплении большого количества перемещенных частиц есть риск внезапного высвобождения этой энергии, что приводит к резкому нагреву А это может поставить реакторы с низкими рабочими температурами (как в Виндскейле) под угрозу.
Эту проблему впервые обнаружил венгерско-американский физик Юджин Вигнер, который руководил разработкой реактора для Манхэттенского проекта. Позже был найден и способ решения — регулярный контролируемый нагрев блока и отжиг лишней энергии (то есть она выходила и сгорала) при температуре выше 250°С. Тогда свойства графита восстанавливались. Впрочем, выдерживал он в таких условиях не очень долго — например, Виндскейлские столбы были рассчитаны лишь на пять лет службы.
Проблемы на реакторах Виндскейла из-за энергии Вигнера начались вскоре после их запуска. Первый ее выброс в 1952-м был неожиданностью, но потом, когда во всем разобрались, отжиги стали проводиться планово. Правда, все реже: сначала после 20 тысяч мегаватт-дней, дальше интервал установили на 30 тысяч, после нескольких таких отжигов планку хотели поднять сразу до 50 тысяч, но в итоге все же решили делать это в два этапа — сначала до 40 тысяч, а уже потом уже до 50.
Интересно, что, хотя отжиги были регулярной и необходимой частью работы, четких пошаговых инструкций по ним не было. Дело в том, что каждый раз выход энергии Вигнера происходил немного непредсказуемым образом: сказывались и разные промежутки времени, и разное состояние графита и количество накопленной энергии, и другие нюансы. Поэтому у работников были лишь краткие общие указания о максимальных температурах на разных стадиях и о действиях при их достижении. В этих широких рамках начальник смены и работники должны были полагаться на свои знания и опыт предыдущих отжигов. Максимальные температуры при этой процедуре достигали 310−420°С.
Девятый отжиг
В начале октября 1957 года реактор № 1, который работал уже семь лет вместо положенных пяти, должен был пройти девятый отжиг. Промежуток в этот раз был самым длинным в опыте операторов — более 40 тысяч мегаватт-дней. К тому же предыдущие три попытки отжига прошли так себе: шестая вообще не удалась, седьмая и восьмая — частично, поэтому некоторые участки графита остались необработанными и содержали в себе энергию, копившуюся намного дольше нормы.
Дежурный физик Рональд Гаусден вместе с коллегами начал девятый отжиг ночью понедельника, 7 октября. Сначала реактор выключили, проверили и подготовили, заменили недействующие датчики и к вечеру запустили снова. В ночь на вторник он разогнался и начал выделять нужную энергию. Температура росла нормально, но к 9 утра стало заметно, что температуры стали падать, и если не усилить ядерную реакцию, то графитовый блок так и не прогорит полностью.
Понаблюдав еще — температуры по большей части падали, но все же существенное количество датчиков на графите еще показывало рост, — Гаусден решает повторить цикл. Повторный разогрев уже делали при предыдущих отжигах, однако спустя примерно сутки после конца повышения температуры, когда она падала уже во всем блоке графита. Теперь же реактор заново разгоняют уже в 11 утра, чтобы поднять температуру, которая теперь составляла 300−350 градусов. В одном из каналов уран внезапно нагревается сильнее прочих, на 30 градусов в минуту, показатель доходит до 380. Применяют контрольный стержень, температура падает. Ее удерживают на уровне 345 градусов до 17 часов, потом ядерный нагрев останавливают.
В среду, 9 октября, температуры урана колебались в пределах 340−360 градусов до вечера, графит потихоньку нагревался от стержней, но в одном из каналов за день температура выросла с 255 до 405 градусов. Дежурный физик, видя это, в девять вечера усилил тягу воздуха, чтобы охладить реактор. За час это не особо помогло, и тогда поток воздуха еще больше усилили, открыв заслонки воздуховодов вентиляторов. Это повторяли несколько раз за ночь, и весь реактор действительно охлаждался. Весь, кроме того самого канала 20/53 — там температура просто перестала расти. К утру четверга на внешних датчиках стали замечать усиление радиоактивности и рост температуры. Тем временем к полудню 10 октября канал 20/53 внезапно разогрелся до 428 градусов. Заслонки открывали еще пару раз, но это привело лишь к скачку внешней радиации. Рост радиоактивности зафиксировали даже на крыше метеостанции в нескольких сотнях метров.
Персонал понял, что произошло повреждение топливных картриджей. Однако выявить, каких именно, не получилось: сканирующий механизм не двигался из-за перегрева. Тогда была взята проба воздуха из трубы — оказалось, что в нем много радиоактивных частиц.
В это время о ЧП сообщили гендиректору. Он дал указание как можно скорее разгрузить поврежденный канал. Работники могли сделать это теперь только вручную. Добравшись до реактора в защитном снаряжении и найдя нужный канал, где в 16.30 было уже 450 градусов, они сняли с него заглушку и обомлели: графит был нормального цвета, но урановые стержни были раскалены докрасна. Они горели.
Отчаянное тушение
Работники, в том числе вызванный на место с больничного заместитель гендиректора Том Туохи — тот самый химик, — попытались вытащить горящие картриджи, но те из-за возросшей температуры были деформированы и не двигались с места. Позже было выявлено, что это далеко не все — всего горело около 150 каналов. Некоторые удалось разгрузить с помощью строительных балок, но этого было мало, чтобы остановить пожар.
К вечеру, примерно в 18.45, наблюдения через смотровое отверстие на задней стороне реактора показали свечение, которое к 20:30 переросло в синее пламя, что указывало уже на горение графита. Воздушное охлаждение теперь не работало, а лишь раздувало пламя.
К ночи пятницы гендиректор завода принял решение: если другие меры не сработают, заливать реактор водой. Это было рискованно: при попадании на горячий металл из воды мог резко выделиться водород. Вместе с воздухом он образует крайне взрывоопасную «гремучую смесь» — в случае ее загорания весь реактор, как это было в Чернобыле, разнесло бы по округе. Но не меньшим был риск, что, если температура превысит 1200 градусов, от резкого выхода энергии Вигнера вспыхнет также весь реактор.
Около двух часов ночи 11 октября температура графита в канале 20/53 достигла 1000 градусов, а уранового топливного элемента — 1300. С атомной энергостанции пригнали цистерну углекислого газа, им заполнили горящие каналы — без результата.
Вариантов не оставалось, и Туохи принял опасное решение все же заливать реактор водой. Началась подготовка — к каналам подвели шланги, и около девяти утра подача воды была открыта. Сначала без эффекта — напор усилили, отслеживая, нет ли выделения водорода. В десять утра закрыли воздуховоды реактора, и вода начала давать эффект. К полудню поток был усилен до 76 литров в секунду. Пожар быстро уменьшался. Лить воду с той же силой продолжали до семи утра 12 октября, а полностью остановили лишь в три часа дня. К тому моменту реактор полностью остыл. ЧП было взято под контроль.
Расследование
Сразу после аварии реактор № 2 тоже остановили, посчитав его дальнейшую эксплуатацию слишком опасной. Уже 15 октября была создана комиссия по расследованию под руководством сэра Уильяма Пенни, одного из ведущих британских ядерных физиков. С 17 по 25 октября она работала на Виндскейле, опросив 37 человек и изучив 73 технических документа.
26 октября, всего через 16 дней после тушения пожара, Пенни представил отчет. Главной причиной аварии комиссия назвала второй ядерный нагрев 8 октября, который был применен слишком рано и слишком быстро. Скорее всего, из-за резкого повышения температуры от высвобождения энергии Вигнера при повторном разгоне (когда большинство каналов еще и так нагревались) оболочки нескольких топливных стержней повредились, и уран, окислившись на воздухе, под воздействием повышенной температуры начал гореть. Впрочем, есть и вторая версия, менее вероятная по мнению Пенни: что загорелся не урановый, а литиево-магниевый картридж (из таких получали тритий). Так или иначе, от поврежденных картриджей стал гореть графит.
Действия персонала по борьбе с огнем комиссией были оценены как «оперативные и эффективные», а сотрудники продемонстрировали «значительную преданность долгу». Непосредственного ущерба здоровью людей не было.
Однако когда правительство готовило публичную версию отчета для парламента, в текст добавили новую фразу, которой у Пенни не было: что пожар на Виндскейле был вызван «ошибкой в суждениях» персонала. Вину возложили на операторов реактора — тех самых, кто потом рисковал жизнями, чтобы потушить огонь. Премьер-министр Гарольд Макмиллан опасался, что реальные подробности аварии навредят отношениям с США: в 1958 году планировалось подписать соглашение с президентом Дуайтом Эйзенхауэром о совместной разработке ядерного оружия.
Полный отчет Пенни засекретили. Его опубликовали лишь в январе 1988 года — через 30 лет после аварии. Расшифровки допросов свидетелей рассекретили еще позже, в 1989-м.
Радиация
В дни пожара радиоактивные вещества вырывались в атмосферу. Больше всего выбросило йода-131. В намного меньшем количестве вылетел цезий-137, стронций-90, плутоний и другие изотопы. Но особенно опасен был именно йод-131, которого выпало много: он распадается быстро, но очень агрессивен и, попадая с пищей в организм, накапливается в щитовидной железе и вызывает рак, особенно у детей.
Тем временем на пастбищах вокруг Виндскейла коровы щипали траву с радиоактивной пылью, йод попадал в молоко. Уже 11 октября на предприятии взяли его на анализ и выявили повышенные уровни йода-131, к утру 12 октября они выросли еще вдвое. Уже к вечеру власти ввели запрет на использование молока от коров на землях вокруг Виндскейла. В течение пары дней после анализа молока с более дальних ферм территория запрета была расширена и в итоге простиралась на 10−20 миль в стороны от Виндскейла. Все молоко на 800 квадратных километрах вокруг уничтожалось в течение более чем месяца.
Решение было крайне смелым, но оказалось правильным: это предотвратило огромное количество случаев рака щитовидной железы среди населения.
Впрочем, вред нанес не только йод. Полоний тоже вылетел в атмосферу, но долгое время это держали в секрете, официально британские власти признали это лишь тогда, когда элемент был зафиксирован в Нидерландах. В следующем отчете о влиянии аварии на окружающую среду в 1960 году о полонии даже не вспомнили, хотя его обнаруживали в разных частях Великобритании и Европы.
Спасительные «причуды»
Оценки последствий для населения менялись по мере рассекречивания данных. Первые исследования 1987 года предполагали около 33 вероятных дополнительных случаев смерти от рака, вызванного аварией. После учета выбросов полония-210 правительственный отчет 1988 года оценил последствия примерно в 100 смертей от рака за 40−50 лет. Исследование 2007 года повысило оценку до 240 вероятных случаев рака, половина из них смертельных. Причем если сначала источником наибольшего вреда считали йод-131, то спустя годы было установлено, что гораздо больше смертельных случаев рака должен был вызвать полоний.
Кроме того, спустя годы ученые пришли к выводу, что выброс радиоактивных веществ на самом деле был вдвое больше того, что озвучивали власти изначально, и загрязнение распространилось гораздо дальше на восток, затронув не только Великобританию, но и север материковой Европы. Некоторые районы Камбрии до сих пор показывают повышенный фон из-за цезия-137.
Авария получила 5-й уровень из 7 возможных по Международной шкале ядерных событий (как и Три-Майл-Айленд, тогда как Чернобыль и Фукусима — 7-й).
В целом выброс йода-131 в Виндскейле был в тысячу раз меньше, чем в Чернобыле. Однако все могло бы быть намного хуже. Североанглийские земли от запустения и население от онкозаболеваний спасли те самые «Причуды Кокрофта». Эти фильтры задержали около 95% радиоактивной пыли. Без них загрязнение огромной части Камбрии было бы во много раз серьезнее, территории были бы выведены из эксплуатации. Джон Кокрофт, получивший к тому времени Нобелевскую премию за работу по расщеплению атомного ядра, оказался прав в своей настойчивости.
К слову, даже внутри предприятия никто из персонала не пострадал во время аварии, полученные дозы радиации оказались довольно небольшими — видимо, благодаря защитным костюмам. Последствий для здоровья не было.
Место аварии сменило имя. В 1981 году территорию переименовали в Селлафилд, избавляясь от дурной славы. Там занимаются разбором реакторов, переработкой использованного ядерного топлива, исследованиями, здесь расположены сотни разных профильных организаций. Трубу второго реактора снесли еще в 2001 году, со второй пришлось ждать намного дольше из-за повышенного уровня радиации, но теперь пропала с горизонта и она. Активные зоны реакторов еще предстоит демонтировать.
После аварии в Великобритании создали Инспекцию ядерных установок, отвечающую за безопасность атомных объектов. Рональд Гаусден, потрясенный пережитым, ушел с Виндскейла в 1960 году и стал одним из первых таких инспекторов.
Том Туохи был назначен генеральным директором и всю оставшуюся карьеру проработал на Селлафилде. В 1969 году ему присвоили титул Командора ордена Британской империи. Впрочем, многие считали, что его вклад в предотвращение катастрофы так и не получил должного признания. Туохи прожил до 90 лет и умер в 2008 году.
Между прочим, точная причина ЧП так и остается не проясненной до конца. В 2005 году прошла серьезная инспекция, при которой впервые после аварии исследовали внутренности горевшего реактора. И оказалось, что горел там не графит: его повреждения были совсем небольшими и были вызваны сильным перегревом топливных элементов.
Так или иначе, сегодня повторение этой аварии невозможно: графитовые реакторы с воздушным охлаждением с тех пор больше не строят. Но главные уроки Виндскейла актуальны: в ядерной энергетике недопустимы спешка и компромиссы с безопасностью, какими бы развитыми ни были технологии. И так же недопустимо игнорирование предупреждений специалистов — иногда один такой упрямый ученый, настаивающий на «лишних» фильтрах, может спасти страну от катастрофы.
Читайте также
