Войти
A авария критичности - это неконтролируемая цепная реакция ядерного деления. Иногда это называется критическим отклонением, отклонением критической мощности или дивергентной цепной реакцией . Любое такое событие включает непреднамеренное накопление или формирование критической массы делящегося материала, например обогащенного урана или плутония. Аварии с критичностью могут привести к выбросу потенциально смертельных доз радиации, если они происходят в незащищенной среде.
В нормальных условиях критическая или сверхкритическая реакция деления (которая является саморазрушающей. поддержание мощности или увеличение мощности) должно происходить только в надежно экранированном месте, таком как активная зона реактора или в подходящей испытательной среде. Авария с возникновением критичности происходит, если такая же реакция происходит непреднамеренно, например, в небезопасной среде или во время технического обслуживания реактора.
Хотя критическая масса опасна и часто смертельна для людей в непосредственной близости, образовавшаяся критическая масса не будет способна вызвать мощный ядерный взрыв типа, который бомба деления предназначены для производства. Это связано с тем, что все конструктивные элементы , необходимые для создания ядерной боеголовки, не могут возникнуть случайно. В некоторых случаях тепло, выделяемое цепной реакцией, заставляет делящиеся (и другие близлежащие) материалы расширяться. В таких случаях цепная реакция может либо перейти в установившееся состояние с низким энергопотреблением, либо даже временно или навсегда прекратиться (докритичность).
За всю историю развития атомной энергетики произошло не менее 60 аварий с критичностью, в том числе 22 в технологических средах, вне активной зоны ядерных реакторов или экспериментальных сборок, а также 38 в малых экспериментальных реакторах и других тестовые сборки. Хотя технологические аварии, происходящие за пределами реакторов, характеризуются большим выбросом радиации, выбросы локализованы. Тем не менее, люди, близкие к этим событиям, подверглись радиационному облучению со смертельным исходом, в результате чего погибло 14 человек. В нескольких авариях реакторов и критических экспериментальных сборок высвободившаяся энергия вызвала значительные механические повреждения или паровые взрывы.
возникает, когда достаточное количество делящегося материала (критическая масса ) накапливается в небольшом объеме, так что каждое деление в среднем производит нейтрон, который, в свою очередь, поражает другой делящийся атом, вызывая другое деление; это приводит к тому, что цепная реакция становится самоподдерживающейся в массе материала. Другими словами, количество испускаемых нейтронов со временем превышает количество нейтронов, захваченных другим ядром или потерянных в окружающей среде, что приводит к каскаду увеличивающихся ядерных делений.
Критичность может быть достигнута за счет использования металлического урана или плутония, жидких растворов или порошковых суспензий. На цепную реакцию влияет ряд параметров, обозначенных аббревиатурами MAGIC MERV (для массы, поглощения, геометрии, взаимодействия, концентрации, умеренности, обогащения, отражения и объема) и РУСАЛКИ (для массы, обогащения, отражения, умеренности, поглощения, Взаимодействие, плотность и форма). Температура также является важным фактором.
Расчеты могут быть выполнены для определения условий, необходимых для критического состояния, массы, геометрии, концентрации и т. Д. Когда делящиеся материалы обрабатываются на гражданских и военных объектах, для выполнения таких расчетов привлекается специально обученный персонал, и гарантировать, что все разумно осуществимые меры используются для предотвращения аварий, связанных с критичностью, как во время запланированных нормальных операций, так и в любых возможных условиях нарушения технологического процесса, которые нельзя исключить на основе пренебрежимо малой вероятности (разумно предсказуемые аварии).
Сборка критической массы устанавливает ядерную цепную реакцию, приводящую к экспоненциальной скорости изменения популяции нейтронов в пространстве и времени, что приводит к увеличению нейтронный поток. Этот увеличенный поток и сопутствующая скорость деления создают излучение, которое содержит компоненты как нейтронов, так и гамма-лучей, и чрезвычайно опасно для любых незащищенных близлежащих форм жизни. Скорость изменения нейтронной популяции зависит от времени генерации нейтронов, которое характерно для нейтронной популяции, состояния «критичности» и делящейся среды.
A деление ядра создает в среднем примерно 2,5 нейтрона на одно событие деления. Следовательно, для поддержания стабильной, точно критической цепной реакции, 1,5 нейтрона на событие деления должны либо вытекать из системы, либо поглощаться, не вызывая дальнейших делений.
На каждую 1000 нейтронов, высвобождаемых при делении, небольшое количество, обычно не более примерно 7, составляют запаздывающие нейтроны, которые испускаются предшественниками продуктов деления, называемыми излучателями запаздывающих нейтронов. Эта доля запаздывающих нейтронов, порядка 0,007 для урана, имеет решающее значение для контроля цепной реакции нейтронов в реакторах. Это называется один доллар реактивности. Время жизни запаздывающих нейтронов колеблется от долей секунды до почти 100 секунд после деления. Нейтроны обычно делятся на 6 групп запаздывающих нейтронов. Среднее время жизни нейтрона с учетом запаздывающих нейтронов составляет примерно 0,1 с, что позволяет относительно легко контролировать цепную реакцию с течением времени. Оставшиеся 993 мгновенных нейтронов высвобождаются очень быстро, примерно через 1 мкс после события деления.
В установившемся режиме ядерные реакторы работают с точной критичностью. Когда по крайней мере один доллар реактивности добавляется выше точной критической точки (где скорость образования нейтронов уравновешивает скорость потерь нейтронов как из-за поглощения, так и из-за утечки), тогда цепная реакция не зависит от запаздывающих нейтронов. В таких случаях популяция нейтронов может быстро экспоненциально увеличиваться с очень малой постоянной времени, известной как время жизни мгновенного нейтрона. Таким образом, за очень короткий промежуток времени наблюдается очень большой рост нейтронной популяции. Поскольку каждое событие деления дает примерно 200 МэВ на деление, это приводит к очень большому всплеску энергии в виде «мгновенно-критического всплеска». Этот всплеск может быть легко обнаружен с помощью приборов радиационной дозиметрии и детекторов «системы аварийной сигнализации критичности», которые установлены должным образом.
Аварии с критичностью делятся на одну из двух категорий:
Типы отклонений можно разделить на четыре категории, отражающие характер эволюции во времени:
Быстрое-критическое отклонение характеризуется историей мощности с начальным мгновенно-критическим всплеском, как отмечалось ранее, которое либо прекращается, либо продолжается с уменьшающейся областью хвоста в течение длительного периода времени. переходное критическое отклонение характеризуется продолжающимся или повторяющимся шаблоном всплесков (иногда называемым «пыхтение») после начального быстрого критического отклонения. Самая продолжительная из 22 технологических аварий произошла на заводе Hanford Works в 1962 году и длилась 37,5 часов. Авария на атомной станции Токаймура в 1999 г. оставалась критической около 20 часов, пока ее не остановили активным вмешательством. Экспоненциальный скачок характеризуется реактивностью, составляющей менее одного доллара добавленного, при этом популяция нейтронов растет экспоненциально со временем, пока либо эффекты обратной связи, либо вмешательство не уменьшат реактивность. Экспоненциальный скачок мощности может достигать пикового уровня мощности, затем уменьшаться с течением времени или достигать установившегося уровня мощности, при котором критическое состояние точно достигается для «установившегося» скачка.
Установившееся отклонение - это также состояние, при котором тепло, выделяемое при делении, уравновешивается тепловыми потерями в окружающую среду. Эта экскурсия была характерна для Окло природного реактора, который естественным образом производился в урановых месторождениях в Габоне, Африка, около 1,7 миллиарда лет назад.
С 1945 года было зарегистрировано не менее шестидесяти аварий с критичностью. Они привели как минимум к 21 смертельному исходу: семь в США, десять в Советском Союзе, два в Японии, один в Аргентине и один в Югославии. Девять произошли в результате технологических аварий, а остальные - в результате аварий на исследовательских реакторах.
Критические аварии произошли в контексте производства и испытаний расщепляющегося материала для ядерного оружия и ядерные реакторы.
| Дата | Местоположение | Описание | Ранения | Погибшие | Ссылки |
|---|---|---|---|---|---|
| 1944 | Лос-Аламос | Отто Фриш получил большую, чем предполагалось дозу радиации, когда он на пару секунд наклонился над оригинальным устройством Lady Godiva. Он заметил, что красные лампы (которые обычно периодически мигают при испускании нейтронов) «горят непрерывно». Тело Фриша отразило часть нейтронов обратно в устройство, увеличив его размножение нейтронов, и только быстро откинувшись назад и от устройства и удалив пару урановых блоков, Фриш избежал повреждений. Потом он сказал: «Если бы я помедлил еще две секунды, прежде чем удалить материал... доза была бы смертельной». 3 февраля 1954 г. и 12 февраля 1957 г. произошли случайные превышения критичности, вызвавшие повреждение устройства, но, к счастью, лишь незначительное облучение персонала. Это оригинальное устройство Godiva было непоправимо после второй аварии и было заменено на Godiva II. | 0 | 0 | |
| 4 июня 1945 г. | Лос-Аламос | Ученый Джон Бистлайн проводил эксперимент, чтобы определить влияние окружающей субкритической массы. обогащенного урана с водным отражателем. Эксперимент неожиданно стал критическим, когда вода просочилась в полиэтиленовую коробку, в которой находился металл. Когда это произошло, вода начала действовать как высокоэффективный замедлитель, а не просто как отражатель нейтронов. Три человека получили несмертельные дозы радиации. | 3 | 0 | |
| 21 августа 1945 | Лос-Аламос | Ученый Гарри Даглиан получил смертельное радиационное отравление и умер через 25 дней после случайного падения вольфрама. кирпич из карбида на сферу из плутония, которую позже (см. следующую запись) прозвали ядром демона. Кирпич служил отражателем нейтронов, доводя массу до критической. Это была первая известная авария со смертельным исходом. | 0 | 1 | |
| 21 мая 1946 г. | Лос-Аламос | Ученый Луис Слотин случайно облучился во время аналогичного инцидента (названного «аварией в Пахарито» в time), используя ту же плутониевую сферу «демоническое ядро», что и привело к даглийской аварии. Слотин окружил плутониевую сферу двумя полусферическими чашками диаметром 9 дюймов из нейтронно-отражающего материала бериллия ; один вверху и один внизу. Он использовал отвертку, чтобы слегка раздвинуть чашки, что поддерживало подкритичность сборки. Когда отвертка случайно соскользнула, чашки полностью закрылись вокруг плутония, в результате чего сборка стала сверхкритической. Слотин быстро разобрал устройство, что, вероятно, спасло жизни семи коллег-ученых поблизости. Слотин скончался от радиационного отравления девять дней спустя. Ядро демона было расплавлено и повторно использовано в других испытаниях бомбы в последующие годы. | 8 | 1 | |
| 31 октября 1956 г. | Национальная лаборатория Айдахо | Прототип реактора ядерной реактивной двигательной установки HTRE-3 претерпел "скачок мощности" - аварию, которая привело к частичному расплавлению и повреждению всех топливных стержней в реакторе. Это произошло во время того, что должно было быть маломощным запуском для наблюдения за скоростью нагрева компонентов реактора, при этом единственное охлаждение реактора обеспечивалось парой электрических нагнетателей. Причиной аварии была неправильная настройка датчиков, а не конструкция. Эти датчики давали неверные показания мощности, из-за чего тяги управления выдвигались слишком далеко. О травмах не сообщалось. | 0 | 0 | |
| 16 июня 1958 | Ок-Ридж, Теннесси Инцидент с Y-12 | На заводе Y-12 произошла первая зарегистрированная критическая ситуация, связанная с переработкой урана. Во время стандартного испытания на герметичность делящемуся раствору по незнанию позволили собраться в бочке емкостью 55 галлонов. Экскурсия длилась примерно 20 минут и привела к значительному облучению восьми рабочих. Погибших не было, хотя пятеро были госпитализированы на сорок четыре дня. Все восемь рабочих в конце концов вернулись к работе. | 8 | 0 | |
| 15 октября 1958 | Ядерный институт Винча | Экскурсия по критичности тяжеловодного реактора RB в Ядерном институте Винча в Винче, Югославия, один погиб. человек и пятеро раненых. Первые выжившие получили первую трансплантацию костного мозга в Европе. | 5 | 1 | |
| 30 декабря 1958 | Лос-Аламос | Сесил Келли, химический оператор, работавший над очисткой плутония, включил мешалку на большом смесительном резервуаре, который создал вихрь в резервуаре. Плутоний, растворенный в органическом растворителе, стекал в центр вихря. Из-за методической 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 ) согласно более поздним оценкам. Другие операторы сообщили, что видели вспышку света и нашли Келли снаружи, говоря: «Я сгораю! Я сгораю!» Он умер 35 часов спустя. | 0 | 1 | |
| 3 января 1961 г. | SL-1, 40 миль (64 км) к западу от Айдахо-Фолс | SL-1, экспериментальный объект армии США. Атомный энергетический реактор подвергся паровому взрыву и демонтажу активной зоны из-за неправильного извлечения центральной управляющей тяги, в результате чего погибли три оператора. | 0 | 3 | |
| 24 июля 1964 г. | Вуд-Ривер-Джанкшн | Объект в Ричмонде, Род-Айленд был разработан для извлечения урана из металлолома, оставшегося от производства тепловыделяющих элементов. Технический специалист Роберт Пибоди, намереваясь добавить трихлорэтен в резервуар, содержащий уран-235 и карбонат натрия для удаления органических веществ, вместо этого добавил раствор урана, что привело к отклонению критичности. Оператор был облучен смертельной дозой 10 000 рад (100 Гр ). Через девяносто минут произошла вторая экскурсия, когда директор завода вернулся в здание и выключил мешалку, подвергнув себя и другого администратора дозам до 100 рад (1 Гр) без вредного воздействия. Оператор, участвовавший в первом облучении, скончался через 49 часов после инцидента. | 0 | 1 | |
| 10 декабря 1968 | Маяк | Центр по переработке ядерного топлива в центральной части России экспериментировал с методами очистки плутония с использованием различных растворителей для экстракции растворителем. Некоторые из этих растворителей переместились в резервуар, не предназначенный для их хранения, и превысили безопасный предел расщепления для этого резервуара. В нарушение процедуры начальник смены приказал двум операторам опустить инвентарь резервуара и переместить растворитель в другой резервуар. Два оператора использовали «сосуд с неблагоприятной геометрией в импровизированной и несанкционированной операции в качестве временного резервуара для хранения органического раствора плутония»; Другими словами, операторы переливали плутониевые растворы в контейнер неправильного типа - что более важно - формы. После того, как большая часть раствора растворителя была вылита, произошла вспышка света и тепла. «Испугавшись, оператор уронил бутылку, сбежал по лестнице и вышел из комнаты». После эвакуации комплекса в здание снова вошли начальник смены и супервайзер радиационного контроля. Затем начальник смены обманул начальника радиационного контроля и вошел в комнату происшествия; за этим последовала третья и самая большая экскурсия по критичности, в результате которой начальник смены облучился смертельной дозой радиации, возможно, из-за попытки начальника вылить раствор в канализацию в полу. | 1 | 1 | |
| 23 сентября 1983 г. | Centro Atomico Constituyentes | Оператор исследовательского реактора RA-2 в Буэнос-Айресе, Аргентина, получил смертельную дозу облучения 3700 рад (37 Гр ) при изменении конфигурации твэлов с замедляющей водой в реакторе. Еще двое получили ранения. | 2 | 1 | |
| 17 июня 1997 г. | Саров | Старший научный сотрудник Российского федерального ядерного центра Александр Захаров получил смертельную дозу 4850 бэр в результате аварии. | 0 | 1 | |
| 30 сентября 1999 г. | Tkai | На японском предприятии по переработке урана в префектуре Ибараки рабочие поместили смесь раствора уранилнитрата в резервуар для осаждения, который не был предназначен для растворения такого типа раствора и в конечном итоге вызвал критическое масса, которая должна была образоваться, и привела к смерти двух рабочих от сильного радиационного воздействия. | 1 | 2 |
Сфера из плутония, окруженная нейтронно-отражающим карбидом вольфрама блоки в реконструкции эксперимента Гарри Дагляна 1945 года.
Воссоздание инцидента с Слотином. Внутреннее полушарие с отверстием для большого пальца рядом с рукой сделано из бериллия (заменяет урановый тампер в бомбе Толстяка), а под ним находится большая металлическая сфера из алюминия. Плутониевое «ядро демона » диаметром 3,5 дюйма (89 мм) (такое же, как в случае с Даглианом) находилось внутри во время аварии и не было видно. Однако его размеры сравнимы с двумя маленькими полусферами, которые изображены рядом.
Изображение сборки Lady Godiva в закрытой (безопасной) конфигурации.
Изображение сборки Lady Godiva, показывающее повреждения, нанесенные опорным стержням после экскурсии в феврале 1954 года. изображения представляют собой различные сборки.
Существовало предположение, хотя и не подтвержденное экспертами по авариям с критичностью, что на Фукусиме-3 произошла авария с критичностью. Основываясь на неполной информации о ядерных авариях на АЭС «Фукусима I» в 2011 г., д-р Ференц Дальноки-Вереш предполагает, что здесь могли возникнуть кратковременные критические состояния. Отметив, что ограниченные, неконтролируемые цепные реакции могут происходить на Фукусиме I, представитель Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ ) «подчеркнул, что ядерные реакторы не взорвутся». К 23 марта 2011 года нейтронные пучки уже наблюдались 13 раз на разрушенной АЭС Фукусима. Хотя не предполагалось, что эти лучи произошли из-за аварии с критичностью, эти лучи могли указывать на ядерное деление. 15 апреля TEPCO сообщила, что ядерное топливо расплавилось и упало в нижние секции защитной оболочки трех реакторов Фукусима I, включая реактор три. Не ожидалось, что расплавленный материал пробьет один из нижних контейнеров, что могло бы вызвать массовый выброс радиоактивности. Вместо этого считается, что расплавленное топливо равномерно распределилось по нижним частям контейнеров реакторов № 1, № 2 и № 3, что делает возобновление процесса деления, известного как «повторная критичность», весьма маловероятным.
Изображение 60-дюймового циклотрона, около 1939 года, демонстрирующее внешний пучок ускоренных ионов (возможно, протонов или дейтроны ) ионизируют окружающий воздух и вызывают свечение ионизированного воздуха. Из-за схожего механизма образования синее свечение, как полагают, напоминает «синюю вспышку», которую видел Гарри Даглиан и другие свидетели аварийных ситуаций. Было замечено, что многие аварии с критичностью излучают синюю вспышку света.
голубое свечение аварии с критичностью возникает из-за флуоресценции возбужденного ионы, атомы и молекулы окружающей среды возвращаются в невозбужденное состояние. По этой же причине электрические искры в воздухе, в том числе молнии, появляются электрик. Запах озона был признан признаком высокой окружающей среды радиоактивностью ликвидаторами Чернобыльской АЭС.
Эта синяя вспышка или «синее свечение» также может быть отнесена к Черенковское излучение, если в критической системе участвует вода или когда человеческий глаз видит синюю вспышку. Кроме того, если ионизирующее излучение непосредственно пересекает стекловидное тело глаза, черенковское излучение может генерироваться и восприниматься как визуальное ощущение синего свечения / искры.
Это совпадение, что цвет черенковского света и света, излучаемого ионизированный воздух очень похож на синий; их методы производства различны. Черенковское излучение действительно возникает в воздухе для частиц высоких энергий (таких как ливни частиц от космических лучей ), но не для заряженных частиц с более низкой энергией, испускаемых в результате ядерного распада.
В ядерной среде излучение Черенкова вместо этого наблюдается в плотных средах, таких как вода, или в растворе, таком как нитрат уранила, на перерабатывающем заводе. Черенковское излучение также может быть ответственно за «синюю вспышку» во время экскурсии из-за пересечения частиц со стекловидным телом внутри глазных яблок тех, кто находится в зоне критичности. Это также объясняет отсутствие каких-либо записей о синем свете при видеонаблюдении за более недавними инцидентами.
Некоторые люди сообщали, что чувствовали «волну тепла» во время критического события. Неизвестно, может ли это быть психосоматическая реакция на осознание того, что только что произошло (т.е. высокая вероятность неминуемой неминуемой смерти от смертельной дозы радиации), или это физический эффект нагревания. (или нетепловая стимуляция чувствительных к теплу нервов в коже) из-за излучения, испускаемого событием критичности.
Обзор всех аварий с критичностью со свидетельствами очевидцев показывает, что тепловые волны наблюдались только тогда, когда также наблюдалось флуоресцентное синее свечение (нечеренковский свет, см. Выше). Это наводит на мысль о возможной взаимосвязи между ними, и действительно, одно потенциально может быть идентифицировано. 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) за счет нагрева поверхности кожи, возможно, что это явление может объяснить восприятие тепловой волны. Однако это объяснение не было подтверждено и может не соответствовать интенсивности света, сообщенной свидетелями, по сравнению с интенсивностью воспринимаемого тепла. Дальнейшим исследованиям препятствует небольшой объем данных, доступных из нескольких случаев, когда люди были свидетелями этих инцидентов и выжили достаточно долго, чтобы предоставить подробный отчет о своем опыте и наблюдениях.
