Авария с критичностью — это случайная неконтролируемая цепная реакция деления ядер . Иногда ее называют критическим выбросом , критическим выбросом мощности , расходящейся цепной реакцией или просто критическим . Любое такое событие включает в себя непреднамеренное накопление или размещение критической массы делящегося материала , например, обогащенного урана или плутония . Аварии с критичностью могут высвобождать потенциально смертельные дозы радиации, если они происходят в незащищенной среде .
При нормальных обстоятельствах критическая или сверхкритическая реакция деления (которая является самоподдерживающейся по мощности или увеличивается по мощности) должна происходить только внутри безопасного экранированного места, такого как активная зона реактора или подходящая испытательная среда. Авария критичности происходит, если та же самая реакция достигается непреднамеренно, например, в небезопасной среде или во время обслуживания реактора.
Хотя это и опасно и часто смертельно для людей в непосредственной близости, образовавшаяся критическая масса не сможет произвести мощный ядерный взрыв того типа, который предназначены для производства атомных бомб . Это связано с тем, что все конструктивные особенности, необходимые для создания ядерной боеголовки, не могут возникнуть случайно. В некоторых случаях тепло, выделяемое цепной реакцией, заставит делящиеся (и другие близлежащие) материалы расширяться. В таких случаях цепная реакция может либо перейти в устойчивое состояние с низкой мощностью, либо даже временно или навсегда остановиться (подкритическое состояние).
За всю историю развития атомной энергетики произошло не менее 60 аварий с критичностью, в том числе 22 в технологических средах, вне активных зон ядерных реакторов или экспериментальных сборок и 38 в небольших экспериментальных реакторах и других испытательных сборках. Хотя технологические аварии, происходящие вне реакторов, характеризуются большими выбросами радиации, выбросы локализованы. Тем не менее, смертельные радиационные воздействия имели место у лиц, находящихся близко к этим событиям, что привело к более чем 20 смертельным случаям. В нескольких авариях реакторов и критических экспериментальных сборок высвобождаемая энергия вызывала значительные механические повреждения или паровые взрывы . [1]
Критичность возникает, когда достаточное количество делящегося материала ( критическая масса ) накапливается в небольшом объеме, так что каждое деление в среднем производит один нейтрон, который, в свою очередь, ударяет по другому делящемуся атому и вызывает еще одно деление. Это приводит к тому, что цепная реакция деления становится самоподдерживающейся в пределах массы материала. Другими словами, в критической массе число нейтронов, испускаемых с течением времени, в точности равно числу нейтронов, захваченных другим ядром или потерянных в окружающую среду. Если масса сверхкритическая, число нейтронов, испускаемых в единицу времени, превышает число поглощенных или потерянных, что приводит к каскаду ядерных делений с возрастающей скоростью.
Критичность может быть достигнута с помощью металлического урана или плутония, жидких растворов или порошковых суспензий. Цепная реакция зависит от ряда параметров, отмеченных мнемоникой MAGIC MERV (масса, поглощение, геометрия, взаимодействие, концентрация, замедление, обогащение, отражение и объем) [2] и MERMAIDS (масса, обогащение, отражение, замедление, поглощение, взаимодействие, плотность и форма). [3] Температура также является фактором критичности.
Расчеты могут быть выполнены для определения условий, необходимых для критического состояния, например, массы, геометрии, концентрации и т. д. При работе с делящимися материалами на гражданских и военных объектах для выполнения таких расчетов и обеспечения использования всех разумно осуществимых мер для предотвращения аварий, связанных с критичностью, как во время плановых нормальных операций, так и при любых потенциальных условиях нарушения технологического процесса, которые нельзя исключить на основе пренебрежимо малых вероятностей (разумно предсказуемые аварии).
Сборка критической массы устанавливает ядерную цепную реакцию, что приводит к экспоненциальной скорости изменения популяции нейтронов в пространстве и времени, что приводит к увеличению потока нейтронов . Этот увеличенный поток и сопутствующая скорость деления производят излучение, которое содержит как нейтронный , так и гамма-лучевой компонент и чрезвычайно опасно для любой незащищенной близлежащей формы жизни. Скорость изменения популяции нейтронов зависит от времени генерации нейтронов , которое характерно для популяции нейтронов, состояния «критичности» и делящейся среды.
В среднем при ядерном делении образуется около 2,5 нейтронов на акт деления. [4] Следовательно, для поддержания стабильной, точно критической цепной реакции, 1,5 нейтрона на акт деления должны либо вытекать из системы, либо поглощаться, не вызывая дальнейших делений.
На каждые 1000 нейтронов, высвобождаемых при делении, небольшое число, обычно не более 7, являются запаздывающими нейтронами , которые испускаются предшественниками продуктов деления, называемыми излучателями запаздывающих нейтронов . Эта фракция запаздывающих нейтронов, порядка 0,007 для урана, имеет решающее значение для управления цепной реакцией нейтронов в реакторах . Она называется одним долларом реактивности . Время жизни запаздывающих нейтронов колеблется от долей секунд до почти 100 секунд после деления. Нейтроны обычно классифицируются по 6 группам запаздывающих нейтронов. [4] Среднее время жизни нейтрона с учетом запаздывающих нейтронов составляет приблизительно 0,1 секунды, что делает цепную реакцию относительно легко контролируемой с течением времени. Оставшиеся 993 мгновенных нейтрона высвобождаются очень быстро, приблизительно через 1 мкс после события деления.
В стационарном режиме работы ядерные реакторы работают при точной критичности. Когда по крайней мере один доллар реактивности добавляется выше точной критической точки (где скорость производства нейтронов уравновешивает скорость потерь нейтронов, как от поглощения, так и от утечки), то цепная реакция не зависит от запаздывающих нейтронов. В таких случаях популяция нейтронов может быстро увеличиваться экспоненциально, с очень малой постоянной времени, известной как время жизни мгновенного нейтрона. Таким образом, происходит очень большое увеличение популяции нейтронов за очень короткий промежуток времени. Поскольку каждое событие деления вносит приблизительно 200 МэВ на деление, это приводит к очень большому выбросу энергии в виде «мгновенно-критического всплеска». Этот всплеск можно легко обнаружить с помощью приборов радиационной дозиметрии и детекторов «системы аварийной сигнализации критичности», которые правильно развернуты.
Аварии с критичностью делятся на две категории:
Типы экскурсий можно разделить на четыре категории, отражающие характер эволюции с течением времени:
Мгновенно-критический скачок характеризуется историей мощности с начальным мгновенным критическим скачком, как отмечалось ранее, который либо прекращается сам по себе, либо продолжается с областью хвоста, которая уменьшается в течение длительного периода времени. Кратковременный критический скачок характеризуется продолжающимся или повторяющимся рисунком скачков (иногда называемым «пыхтением») после начального мгновенно-критического скачка. Самая длительная из 22 технологических аварий произошла на заводе Hanford Works в 1962 году и длилась 37,5 часов. Авария на АЭС Токаимура в 1999 году оставалась критической в течение примерно 20 часов, пока ее не остановили с помощью активного вмешательства. Экспоненциальный скачок характеризуется реактивностью менее одного добавленного доллара , где популяция нейтронов растет как экспонента с течением времени, пока либо эффекты обратной связи, либо вмешательство не уменьшат реактивность. Экспоненциальный скачок может достичь пикового уровня мощности, затем со временем уменьшиться или достичь стационарного уровня мощности, где критическое состояние точно достигается для «стационарного» скачка.
Стационарный переход также является состоянием, в котором тепло, выделяемое делением, уравновешивается потерями тепла в окружающую среду. Этот переход был охарактеризован природным реактором Окло , который был естественным образом создан в урановых месторождениях в Габоне , Африка, около 1,7 миллиарда лет назад.
В отчете Лос-Аламоса [1] зафиксировано 60 аварий с критичностью в период с 1945 по 1999 год. Они привели к 21 смерти: семь в Соединенных Штатах, десять в Советском Союзе, два в Японии, один в Аргентине и один в Югославии. Девять из них произошли из-за технологических аварий, а остальные — из-за аварий исследовательских реакторов. Аварии с критичностью произошли в контексте производства и испытания расщепляющегося материала как для ядерного оружия , так и для ядерных реакторов .
В таблице ниже приведена подборка хорошо документированных инцидентов.
Дата | Расположение | Описание | Травмы | Погибшие | Реф. |
---|---|---|---|---|---|
1944 | Лос-Аламос | Отто Фриш получил большую, чем предполагалось, дозу радиации , когда наклонился над оригинальным устройством Lady Godiva на пару секунд. Он заметил, что красные лампы (которые обычно мерцали прерывисто, когда испускались нейтроны) «светились непрерывно». Тело Фриша отразило часть нейтронов обратно в устройство, увеличив его размножение нейтронов, и только быстро отклонившись назад и в сторону от устройства и удалив пару урановых блоков, Фриш избежал вреда. Впоследствии он сказал: «Если бы я колебался еще две секунды, прежде чем удалить материал... доза была бы смертельной». 3 февраля 1954 года и 12 февраля 1957 года произошли случайные выбросы критичности, вызвавшие повреждение устройства, но лишь незначительное облучение персонала. Это оригинальное устройство Godiva было непоправимо после второй аварии и было заменено Godiva II . | 0 | 0 | [5] [6] |
4 июня 1945 г. | Лос-Аламос | Ученый Джон Бистлайн проводил эксперимент по определению эффекта окружения докритической массы обогащенного урана водным отражателем. Эксперимент неожиданно стал критическим, когда вода просочилась в полиэтиленовую коробку, содержащую металл. Когда это произошло, вода начала функционировать как высокоэффективный замедлитель, а не просто отражатель нейтронов. Три человека получили несмертельные дозы радиации. | 3 | 0 | [7] |
21 августа 1945 г. | Лос-Аламос | Ученый Гарри Даглян получил смертельное отравление радиацией и умер 25 дней спустя после того, как случайно уронил кирпич из карбида вольфрама на сферу плутония, которую позже (см. следующую запись) прозвали ядром демона . Кирпич действовал как отражатель нейтронов , доводя массу до критичности. Это была первая известная авария с критичностью, приведшая к гибели человека. | 0 | 1 | [8] [9] |
21 мая 1946 г. | Лос-Аламос | Ученый Луис Слотин случайно облучил себя во время похожего инцидента (называемого в то время «катастрофой Пахарито»), используя ту же сферу «демонического ядра» из плутония, которая была задействована в аварии Даглиана. Слотин окружил плутониевую сферу двумя полусферическими чашками диаметром 9 дюймов из нейтронно-отражающего материала бериллия , одной сверху и одной снизу. Он использовал отвертку, чтобы держать чашки немного раздвинутыми, и таким образом сборка была подкритической, вопреки обычным протоколам. Когда отвертка случайно соскользнула, чашки закрылись вокруг плутония, сделав сборку сверхкритической. Слотин быстро разобрал устройство, вероятно, спасая других в комнате от смертельного облучения, но сам Слотин умер от радиационного отравления девять дней спустя. Демоническое ядро было расплавлено, и материал был повторно использован в других испытаниях бомб в последующие годы. [10] | 8 | 1 | [11] [12] |
16 июня 1958 г. | Оук-Ридж, Теннесси | Первая зафиксированная критичность, связанная с переработкой урана, произошла на заводе Y-12 . Во время планового испытания на утечку расщепляющийся раствор неосознанно скопился в 55-галлонной бочке. Экстремум продолжался около 20 минут и привел к значительному облучению восьми рабочих. Смертельных случаев не было, хотя пятеро были госпитализированы на 44 дня. Все восемь рабочих в конечном итоге вернулись на работу. | 8 | 0 | [13] [14] |
15 октября 1958 г. | Ядерный институт Винча | В ядерном институте Бориса Кидрича в Винче , Югославия, произошел скачок критичности в реакторе RB на тяжелой воде, в результате чего погиб один человек и пятеро получили ранения. Первые выжившие получили первую в Европе пересадку костного мозга . | 5 | 1 | [15] [16] [17] |
30 декабря 1958 г. | Лос-Аламос | Сесил Келли , оператор-химик, работавший над очисткой плутония, включил мешалку на большом смесительном баке, что создало в баке воронку . Плутоний, растворенный в органическом растворителе, потек в центр воронки. Из-за процедурной ошибки смесь содержала 3,27 кг плутония, который достиг критичности примерно за 200 микросекунд. Келли получил от 3900 до 4900 рад (от 36,385 до 45,715 Зв ) по более поздним оценкам. Другие операторы сообщили, что видели яркую вспышку синего света и нашли Келли снаружи, сказав: «Я сгораю! Я сгораю!» Он умер 35 часов спустя. | 0 | 1 | [18] |
3 января 1961 г. | SL-1 , 40 миль (64 км) к западу от Айдахо-Фолс | На SL-1 , экспериментальном ядерном энергетическом реакторе армии США, произошел паровой взрыв и демонтаж активной зоны из-за неправильного ручного извлечения центрального стержня управления, в результате чего три оператора погибли от силы взрыва и получили ранения. | 0 | 3 | [19] |
24 июля 1964 г. | Перекресток реки Вуд | Объект в Ричмонде, Род-Айленд, был спроектирован для извлечения урана из отходов, оставшихся после производства топливных элементов. Техник Роберт Пибоди, намереваясь добавить трихлорэтилен в бак, содержащий уран-235 и карбонат натрия, чтобы удалить органику, вместо этого добавил раствор урана, что привело к скачку критичности. Оператор получил смертельную дозу радиации в 10 000 рад (100 Гр ). Через девяносто минут произошел второй скачок, когда менеджер завода вернулся в здание и выключил мешалку, подвергнув себя и другого администратора дозам до 100 рад (1 Гр) без каких-либо последствий. Оператор, участвовавший в первоначальном облучении, умер через 49 часов после инцидента. | 0 | 1 | [20] [21] [22] |
10 декабря 1968 г. | Маяк | Центр переработки ядерного топлива в центральной России экспериментировал с методами очистки плутония с использованием различных растворителей для экстракции растворителя . Некоторые из этих растворителей попали в резервуар, не предназначенный для их хранения, и превысили предел безопасности для этого резервуара. Вопреки процедуре начальник смены приказал двум операторам опустить инвентарь резервуара и перелить растворитель в другой резервуар. Два оператора использовали «резервуар неблагоприятной геометрии в импровизированной и несанкционированной операции в качестве временного резервуара для хранения органического раствора плутония»; другими словами, операторы переливали растворы плутония в неправильный тип — что еще важнее, форму — контейнера. После того, как большая часть раствора растворителя была вылита, произошла вспышка света и тепла. «Оператор вздрогнул, бросил бутылку, побежал вниз по лестнице и из комнаты». После того, как комплекс был эвакуирован, начальник смены и инспектор по радиационному контролю вернулись в здание. Затем начальник смены обманул инспектора по радиационному контролю и вошел в комнату, где произошел инцидент; За этим последовал третий и самый крупный скачок критичности, в результате которого начальник смены получил смертельную дозу радиации, возможно, из-за попытки начальника вылить раствор в сливное отверстие в полу. | 1 | 1 | [23] |
23 сентября 1983 г. | Centro Atomico Constituyentes | Оператор исследовательского реактора RA-2 в Буэнос-Айресе , Аргентина, получил смертельную дозу радиации 3700 рад (37 Гр ) при изменении конфигурации топливных стержней с замедлителем воды в реакторе. Оператор скончался через 49 часов. Еще двое получили ранения. | 2 | 1 | [24] [25] |
10 августа 1985 г. | Бухта Чажма, Владивосток | Крышка реакторного бака атомной советской подводной лодки К-431 заменялась после заправки. Крышка была установлена неправильно и ее пришлось поднять снова с прикрепленными стержнями управления. Предполагалось, что балка не даст крышке подняться слишком высоко, но эта балка была установлена неправильно, и крышка со стержнями управления была поднята слишком высоко. В 10:55 утра реактор правого борта стал мгновенно критическим , что привело к скачку критичности около 5·10 18 делений и тепловому/паровому взрыву. Взрыв вытолкнул новую партию топлива, разрушил кожухи машин, разорвал прочный корпус и кормовую переборку подводной лодки и частично разрушил топливный отсек, крыша отсека упала в воду на 70 метров. Последовал пожар, который был потушен через 4 часа, после чего началась оценка радиоактивного загрязнения . Погибло десять человек, еще 49 получили радиационные поражения, а обширная территория на северо-западе полуострова Дунай подверглась серьезному загрязнению. | 49 | 10 | [26] |
17 июня 1997 г. | Саров | Старший научный сотрудник Российского федерального ядерного центра Александр Захаров получил смертельную дозу 4850 бэр в результате аварии на ядерном реакторе. | 0 | 1 | [27] [28] [29] |
30 сентября 1999 г. | Токай | На японском заводе по переработке урана в префектуре Ибараки специалисты, работающие над производством топлива для быстрого реактора Дзёё , вылили раствор нитрата уранила в осадительный резервуар, который не был рассчитан на содержание раствора этого обогащенного урана, что привело к образованию критической массы и гибели двух рабочих от сильного облучения. | 1 | 2 | [30] [31] [32] |
Было предположение, хотя и не подтвержденное экспертами по авариям с критичностью, что Фукусима 3 потерпела аварию с критичностью. Основываясь на неполной информации об авариях с ядерной установкой Фукусима I в 2011 году , доктор Ференц Далноки-Вереш предполагает, что там могли произойти переходные критические ситуации. [35] Отметив, что на Фукусиме I могут произойти ограниченные, неконтролируемые цепные реакции, представитель Международного агентства по атомной энергии ( МАГАТЭ ) «подчеркнул, что ядерные реакторы не взорвутся». [36] К 23 марта 2011 года нейтронные пучки уже наблюдались 13 раз на поврежденной АЭС Фукусима. Хотя считалось, что авария с критичностью не является причиной этих пучков, они могут указывать на то, что происходит ядерное деление. [37] 15 апреля TEPCO сообщила, что ядерное топливо расплавилось и упало в нижние секции защитной оболочки трех реакторов Фукусимы I , включая реактор три. Расплавленный материал не должен был прорвать один из нижних контейнеров, что могло бы вызвать массовый выброс радиоактивности. Вместо этого расплавленное топливо, как полагают, равномерно распределилось по нижним частям контейнеров реакторов № 1, № 2 и № 3, что делает возобновление процесса деления, известного как «рекритичность», крайне маловероятным. [38]
Было замечено, что многие критические аварии вызывают вспышку синего света. [39]
Синее свечение критической аварии возникает из-за флуоресценции возбужденных ионов, атомов и молекул окружающей среды, которые возвращаются в невозбужденное состояние. [ 40] Это также является причиной того, что электрические искры в воздухе, включая молнии , кажутся электрически синими . Запах озона, как утверждали ликвидаторы Чернобыля , является признаком высокой радиоактивности окружающей среды .
Эту синюю вспышку или «синее свечение» также можно отнести к излучению Черенкова , если в критической системе участвует вода или когда синяя вспышка воспринимается человеческим глазом. [39] Кроме того, если ионизирующее излучение напрямую пересекает стекловидное тело глаза, излучение Черенкова может генерироваться и восприниматься как визуальное ощущение синего свечения/искры. [41]
Это совпадение, что цвет черенковского света и света, излучаемого ионизированным воздухом, очень похожий синий; их методы получения различны. Излучение Черенкова происходит в воздухе для частиц высокой энергии (таких как ливни частиц от космических лучей ) [42], но не для заряженных частиц с более низкой энергией, испускаемых при ядерном распаде.
Некоторые люди сообщали об ощущении «тепловой волны» во время критического события. [43] [44] Неизвестно, может ли это быть психосоматической реакцией на осознание того, что только что произошло (т. е. высокой вероятности неминуемой надвигающейся смерти от смертельной дозы радиации), или это физический эффект нагрева (или нетепловой стимуляции теплочувствительных нервов в коже) из-за излучения, испускаемого критическим событием.
Обзор всех аварий с критическим состоянием с показаниями очевидцев показывает, что волны тепла наблюдались только тогда, когда также наблюдалось флуоресцентное голубое свечение ( нечеренковский свет, см. выше). Это предполагает возможную связь между ними, и действительно, одна из них может быть потенциально идентифицирована. В плотном воздухе более 30% линий излучения азота и кислорода находятся в ультрафиолетовом диапазоне, а около 45% — в инфракрасном диапазоне. Только около 25% находятся в видимом диапазоне. Поскольку кожа ощущает свет (видимый или иной) из-за нагрева поверхности кожи, возможно, что это явление может объяснить восприятие волн тепла. [45] Однако это объяснение не было подтверждено и может не соответствовать интенсивности света, о которой сообщали очевидцы, по сравнению с интенсивностью воспринимаемого тепла. Дальнейшие исследования затруднены небольшим количеством данных, доступных из немногих случаев, когда люди были свидетелями этих инцидентов и выживали достаточно долго, чтобы предоставить подробный отчет о своем опыте и наблюдениях.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )