【物理史中的十二月】1951 年 12 月 20 日:原子動力第一次產生電力

1951 年 12 月 20 日:原子動力第一次產生電力

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2014 年 12 月)

假如你開車經過美國愛達荷州東部的高海拔沙漠,你很可能會撞見現在叫做愛達荷國家實驗室,這是一個聯邦核研究設施,在核動力發展上扮演著關鍵的角色。它安放著已除役的實驗滋生反應器1號(EBR-I),是第一個經由核分裂以產生有用電力的核反應爐,而負責此設計與操作的是一位加拿大的物理學家秦恩(Walter Henry Zinn)。

1906 年,秦恩出生在加拿大安大略省柏林市(現改名為Kitchener),父親是輪胎工廠的工人。秦恩的哥哥追隨父親的腳步,但年輕的秦恩卻對數學和科學深感興趣,並具天賦。在皇后大學取得數學學位後,他進入保險公司服務,之後繼續在哥倫比亞大學完成物理博士學位,論文研究晶體中 X 射線吸收範圍的結構和寬度。他在兩個學校都擔任教學工作以維持學習生活,之後於 1932 年任教於紐約市立學院。

到 1939 年時,秦恩在哥倫比亞浦品物理實驗室和費米(Enrico Fermi)一起工作,研究鈾同位素的性質,以及它們在當時剛發現的核分裂過程中潛在的用途,尤其是否可能達到持續的連鎖反應。隨著第二次世界大戰的爆發,和發展原子彈的極高機密曼哈頓計劃的展開,秦恩跟著費米到芝加哥大學繼續他們的研究。

1942 年 12 月 2 日,在大學廢棄的球場順利達成第一次核連鎖反應時,秦恩也在現場。他的任務是要將反應堆的控制桿移開,以啟動連鎖反應,過 28 分鐘後再將控制桿插回去。他站好位置,拿著備用的緊急安全桿,以防反應堆過「熱」,而設計好會自動關閉失控連鎖反應的控制桿失靈時可用。芝加哥 1 號堆只運轉了 3 個月,因為它缺乏輻射防護,被認為離人口密集的城市太靠近,深怕發生核災。所以,它被拆解再重組──這次加了輻射防護──在附近叫做「A 場址」,後來移至 5 哩外的新「D 場址」,成了美國阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)。

Image Credit: Argonne National Laboratory 秦恩(Walter Zinn)最後一次關掉芝加哥3號反應堆

秦恩一直留在曼哈頓計劃,直到 1946 年,美國原子能委員會任命他為阿岡的院長才離開,阿岡的目標主要專注於有關未來反應爐發展的問題。在他的帶領下,阿岡持續發展出好幾個創新的反應爐設計,從戰時一個小的研究團隊發展成一個國際馳名的核反應爐研發和相關的科學中心。萬柏格(Alvin Weinberg)是同時期的美國橡嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的院長,就曾描述秦恩是「當時新興的國家實驗室院長應有的典範:對於建造人和出資者渴望的目的都能掌控了解,但當必要時卻又能有足夠的信心超越。」

除了當院長的責任外,秦恩還極想發展一個叫做「關鍵 4 號堆」(Critical Pile-4)或叫「ZIP」(Zinn’s Infernal Pile)的快速滋生反應爐的設計(滋生反應爐所能產生的核燃料比它們所消耗掉的多)。

當 ZIP 設計好後,秦恩將它移至當時在愛達荷州的國家反應爐測試站,是阿岡國家實驗室的一個新前哨基地,被叫做 EBR-I。1951 年 12 月 20 日,秦恩和他的團隊聚集在實驗室一排 4 個 200 瓦的燈泡旁邊,看著電流至燈泡時燈泡亮起來──這是 EBR-I 反應爐所產生的電。不用幾天,這個反應爐就能供應整個實驗室建築物的電力,證明核能可以是一個在經濟上可行的能量來源:1 噸的天然鈾礦可以產生的電和燃燒 8 萬桶的油,或 1 萬 6千 噸的煤相同。兩年後,實驗證明 EBR-I 的確一直滋生新燃料,附近一個反應爐工廠 BORAX-III(根據沸水反應爐設計)後來證明可以供應愛達荷州阿科城市(Arco, Idaho)的電力。

在核能反應爐試驗的開始 10 年間有過嚴重的核災,其中一次還出了人命。例如,秦恩於 1954 年監督 BORAX-I 沸水反應爐的測試,他把控制桿抽回一部份,刻意要讓它產生功率遽增,但結果反應爐爆炸,熔毀了一半以上的核心。1955 年,EBR-I 在測試反應爐在冷卻劑流動的波動中會如何反應時,也出現部份熔毀:元兇結果是燃料桿的熱膨脹。

7 年後,在測試另一部反應爐時,有一位科學家將控制桿拉出太多,熔毀了一個試驗原型的核心。那次的錯誤導致強烈的汽爆,反應爐被彈飛到空中 9 呎高,震波還讓附近3位軍事人員喪命。死者埋葬在鉛製的棺木中,因為他們生前都暴露在極高劑量的輻射中。

1956 年,秦恩離開阿岡國家實驗室,在美國佛羅里達州創立一家顧問公司──通用核工程(General Nuclear Engineering),專門設計建造壓水反應爐。當他的公司 8 年後被燃燒工程公司(Combustion Engineering)購併後,他領導核部門直到 1970 年止,並參與董事會直到 1986 年退休。他的沸水反應爐的設計是目前美國與日本仍在運轉的核電廠之早期原型。這段期間,他還服務於許多政府諮詢委員會,並於 1955 年出任美國核子學會第一任會長。秦恩中風後於 2000 年 2 月 14 日病逝在佛羅里達州清水市,享年 93 歲。

EBR-I 於 1964 年除役,1966 年被界定為歷史地標。它在夏天開放給前去拜訪愛達荷國家實驗室的人參觀。

 

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