功率最大的研究堆
當突然接到搶險任務的時候，28歲的海軍上尉卡特(JimmyCarter)，後來的美國第39任總統，正在紐約州的斯克內克塔迪海軍基地裡，在里科夫領導的海軍核推進項目中工作。讓他有點意外的是，之前學習掌握的核汙染治理專業技能，不是在將來的“海狼號”核潛艇，而在鄰國的反應堆派上用場。
卡特率領部下乘坐火車，緊急趕赴加拿大。那裡的一個反應堆，發生了一起嚴重事故。
海軍上尉卡特
話說在第二次世界大戰期間，英國和加拿大政府在蒙特利爾大學建立了一個秘密的聯合實驗室，在之前英國的重水研究項目基礎上，主要從事重水慢化鈈生產堆的設計工作。作為美國曼哈頓工程的一個分支，這個秘密項目由加拿大國家研究院負責，對外稱為“蒙特利爾實驗室”。所以，毫不奇怪，對於重水的研究，加拿大科學家從一開始就獨領風騷。
戰後，跟盟友美國和英國走的路子不一樣，加拿大沒有繼續開展核武器研發，而是潛心於研究反應堆的和平利用，並在後來設計出一種獨特的核電堆型——加拿大重水鈾反應堆(CANDU)。
1945年9月5日，作為美國之外的第一座反應堆，零功率實驗堆(ZeroEnergyExperimentalPile，簡稱ZEEP)在加拿大安大略省的恰克河實驗室首次臨界。
ZEEP零功率實驗堆
在此基礎上，恰克河實驗室隨後設計了一座多用途研究性反應堆，國家研究實驗堆(NationalResearchExperimental，簡稱NRX)，並於1947年7月22日建成投運。
1945年的恰克河實驗室
熱功率10MW的NRX，是當時世界上功率最大的研究堆，也是最強的中子源，可以用於核燃料和材料輻照考驗、中子束應用研究、同位素生產等用途，讓加拿大一躍成為世界核科學研究的前沿。比如，加拿大物理學家布羅克豪斯(BertramBrockhouse)，1950年代曾在這個反應堆上開展研究工作，後來因為在凝聚態物質領域的中子散射探測與分析技術貢獻，獲得1994年的諾貝爾物理學獎。
加拿大物理學家布羅克豪斯
壓力管式重水鈾反應堆
NRX是一座利用重水慢化、輕水冷卻、天然鈾作燃料的研究堆。反應堆坐在一個叫作排管容器的大型鋁桶裡，直徑8米、高3米。排管容器中裝有14000升的重水，上部空間填充氦氣。在排管容器裡，呈六角形垂直佈置了175根鋁製的壓力管，每根壓力管直徑均為6釐米。
反應堆大廳
絕大多數壓力管裡裝載有燃料棒，有時根據實驗需要，可插入其他輻照材料，剩下的壓力管用以安放控制反應性的控制棒。另外，通過調節排管容器裡重水的水位，也可以控制核裂變鏈式反應的速率和輸出功率。在緊急狀態下，可以通過快速排空重水，來達到終止裂變反應的目的。
NRX堆芯示意圖(圖中只畫出一根壓力管)
裝有天然鈾的燃料棒，直徑3.1釐米、長3.1米，大約55公斤重。燃料棒為雙層鋁包殼設計：在燃料棒內外層包殼之間，輕水冷卻劑以250公斤/秒高速流過，帶走裂變反應釋放的熱量；在燃料棒外包殼與壓力管之間，則是一個環形的空氣間隙，空氣以8公斤/秒的速率流過，以隔絕壓力管內由燃料棒產生的高溫。
燃料棒和壓力管截面示意圖
反應堆一共設計有12根填充碳化硼的不鏽鋼控制棒。只要其中的7根完全插入堆芯，反應堆就會停閉。控制棒通過電磁裝置控制，在失電狀態下，控制棒將依靠重力下降，在3-5秒內插入堆芯底部。同時，控制棒還設計有氣壓驅動系統，可以在空氣流的作用下快速插入堆芯，或者從底部緩慢地抽出堆芯。
在運行方式上，12根控制棒被分成2組：
一組叫作安全棒，包括4根控制棒，一起上下運動，通過主控室控制檯上的1號按鈕操作，旁邊還佈置有每根安全棒的位置指示燈。
另一組為剩下的8根控制棒，由控制系統以自動序列方式提升或插入堆芯，通過2號按鈕操作。
控制檯上還有一個3號按鈕，用以操作控制棒電磁裝置。控制氣動系統的4號按鈕，則位於控制檯不遠處的牆上。
控制檯上的中心控制盤佈置圖
後來的嚴重事故，正是由這套控制棒控制系統的故障所引發。
誤操作與機械故障
1952年12月12日，研究人員打算在NRX上進行低功率狀態下反應性測量實驗，主要目的是比較新入堆燃料棒與已輻照燃料棒的反應性大小。
值得一提的是，反應堆中每根燃料棒的冷卻能力，可以單獨控制和隔離。按照實驗方案，新入堆的1根燃料棒，在低功率下無需用輕水冷卻，依靠空氣冷卻即可帶走熱量，剩餘的燃料棒則通過軟管連接到一個臨時的冷卻水系統。
實驗在準備過程中，反應堆處於停堆狀態。這時，在主控室裡，值班長通過控制檯上的紅色指示燈，發現4根安全棒提起來了。他判斷是正在反應堆下部的地下室裡的操縱員，錯誤地打開了控制棒氣動系統的旁通閥，使得控制棒頂部壓力小於底部，繼而導致控制棒自動提升。
值班長立即給地下室打電話，要求現場的操縱員關閉閥門。放下電話後，他離開主控室，衝到地下室，手動關閉了4個旁通閥，並檢查了氣壓。
隨後，在地下室的值班長，往主控室打電話，原本想讓助手按下控制檯上的4號和3號按鈕，以便安全棒在氣動系統的驅動下快速插入堆芯。然而，實際傳達指令的時候，出現了口誤，說成了“按下4號和1號按鈕”。幾秒後，他意識到說錯了，趕緊再打電話，然而助手忙著去操作，並沒有接電話。
主控室的助手，按照值班長的指令，在15:07按下了4號和1號按鈕，後面的事故進程以此為零點描述。
這樣做的結果是，原本已經離開堆芯底部的4根安全棒，並不是預想地插入，而是繼續被向上提起來了。此後，按照後來的調查分析，反應堆功率以每2秒翻倍的速率急劇上漲。
大約20秒後，助手意識到了問題，又按下了1號按鈕，實施緊急停堆。
隨後，主控室的人員以為安全棒完全插回堆芯了，因為他們看到控制檯上的紅色信號燈滅了。然而，事實上，只有1根安全棒完全插入堆芯，其他3根並沒有插到底，只是插入到足以關閉警告信號的位置而已。
由於氣動系統的故障，控制棒下插的速度比原設計的要慢得多，反應堆功率繼續上漲。30秒後，功率達到17MW；44秒鐘後，工作人員才發現異常，立即按下了緊急排空排管容器重水的按鈕；功率又繼續上升了5秒，達到80MW的峰值；大約68秒後，裂變反應才得以終止。
在此過程中，只依賴空氣冷卻的新燃料棒，冷卻嚴重不足，很快發生熔化；其他通過臨時冷卻水系統冷卻的燃料棒，也遭遇熱量導出困難的挑戰。部分燃料棒的內外包殼隨後破孔，並破壞了壓力管的完整性，所有的流體系統，包括重水、輕水、空氣和氦氣，整個貫通在一起了。
15:11，控制檯上的氦氣儲罐壓力錶指針突然竄到最高點，暗示著排管容器裡發生了氫氧爆炸。排管容器結構遭受部分破壞，廠房裡到處響起了輻射警報聲。
15:47，下達了撤離整個廠區的命令，人員開始撤離。
接下來，就是麻煩的汙染清理工作了。
參與汙染清理的卡特
為了移除堆芯的衰變熱，事故後不得不繼續投運冷卻系統。作為慢化劑的重水，本來沒有放射性，但是事故破壞了與輕水冷卻劑的隔離，大約1萬居里的放射性物質，洩漏到4000立方米的重水裡。
攜帶放射性的重水，通過排管容器的破口，流到反應堆廠房的地面。當晚18:00，地下室裡已經“水漫金山”了。接下來的幾天裡，水位漲到1米高，並分別流到氦氣儲罐和重水儲罐房間裡。
為了避免汙染旁邊的渥太華河，剛從國家研究院手裡接管恰克河實驗室的加拿大原子能公司(AECL)，不得不臨時修建了一條管線，將廠房裡帶放射性的水排放到1600米外的一個沙池裡。
幸運的是，除個別工作人員受到較高的輻射照射外，事故沒有造成人員傷亡。一些氣態的裂變產物，通過煙囪排放到環境中。根據隨後幾年裡持續的輻射監測情況看，事故對環境和公眾的影響，基本可以忽略。
最棘手的，就是堆芯的拆除和廠房的汙染清理了。整個堆芯和排管容器，遭受嚴重損壞，已經無法再用了，只得整體拆除。由於遍佈放射性，拆除工作不能就地實施，只能遠程操作。為此，工作人員不得不事先進行反覆的模擬演練。拆除後的排管容器、熔化的燃料棒和其他設備，被當作高水平放射性廢物埋掉處理。
模擬拆除排管容器
面對反應堆廠房大面積的放射性汙染，加拿大政府力不從心，只得向美國求助。於是，包括卡特在內的150名美國海軍專業人員，和加拿大的軍人、工程師、建築工人等，組成了一支862人的隊伍，開始實施為期幾個月的汙染清理。
在一個網球場裡，加拿大按照當初的設計圖紙，製作了一個1:1比例的反應堆廠房模型。卡特上尉和他的部下，需要先在這個真實的模型上進行反覆操作，直至熟練為止。
“我們身穿臃腫的防護服，以最快的速度衝進去，手上拿著扳手和虎鉗。按照預先演練的那樣，快速卸下沿途的門栓和螺栓，然後又快速跑出來……每次進去的時間，不能超過90秒。”後來當上美國總統的卡特，在自己寫的一本書裡，簡短地回憶了這段傳奇的經歷。
經過2年的事故清理與處理，恰克河實驗室在原先的廠房裡，安裝了一套全新的反應堆堆芯及相關設備，在1954年重啟運行，熱功率增大到42MW。新的反應堆，一直運行到1993年才徹底停閉。
1966年的反應堆大廳
作為一個深刻的教訓，這起史上最早的反應堆嚴重事故，給後來的反應堆安全指引了改進的方向。自此之後，安全系統的獨立性和多樣性、冗餘的安全停堆能力等等，變成了反應堆設計的基本原則。（來源:核史鉤沉）
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