Критичность аварии - Criticality accident

Критичности аварии является случайным неконтролируемым ядерная цепная реакция деления . Иногда это называют критическим скачком , критическим скачком мощности или дивергентной цепной реакцией . Любое такое событие включает в себя непреднамеренное накопление или компоновку критической массы из 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 (самоподдерживающаяся по мощности или возрастающая по мощности) должна происходить только внутри надежно экранированного места, такого как активная зона реактора или подходящая испытательная среда. Авария с возникновением критичности происходит, если такая же реакция происходит непреднамеренно, например, в небезопасной окружающей среде или во время технического обслуживания реактора.

Образовавшаяся критическая масса, хотя и опасна и часто смертельна для людей в непосредственной близости от нее, не будет способна вызвать мощный ядерный взрыв того типа, для производства которого предназначены бомбы деления . Это потому, что все конструктивные особенности, необходимые для создания ядерной боеголовки, не могут возникнуть случайно. В некоторых случаях тепло, выделяемое цепной реакцией, заставляет делящиеся (и другие находящиеся поблизости) материалы расширяться. В таких случаях цепная реакция может либо перейти в установившееся состояние с низким энергопотреблением, либо даже временно или навсегда выключиться (докритичность).

В истории 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 и 38 - в малых экспериментальных реакторах и других испытательных сборках. Хотя технологические аварии, происходящие за пределами реакторов, характеризуются значительными выбросами 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 реактора и критического экспериментального агрегата высвободившаяся энергия вызвала значительные механические повреждения или паровые взрывы .

Физическая основа

Критичность возникает, когда в небольшом объеме накапливается достаточное количество делящегося материала ( критическая масса ), так что при каждом делении в среднем образуется 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. Если делящиеся материалы обрабатываются на гражданских и военных объектах, для выполнения таких расчетов и для обеспечения того, чтобы все практически осуществимые, использовался специально обученный персонал. 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 основании пренебрежимо малой вероятности (аварии с разумным прогнозом).

Сборка критической массы устанавливает цепную ядерную реакцию, что приводит к экспоненциальной скорости изменения в нейтронной популяции в пространстве и время , ведущее к увеличению потока нейтронов . Этот увеличенный поток и сопутствующая скорость деления создают излучение, которое содержит как нейтронный, так и гамма- компонент, и чрезвычайно опасно для любой незащищенной близлежащей формы жизни. Скорость изменения нейтронной популяции зависит от времени генерации нейтронов , которое характерно для нейтронной популяции, состояния «критичности» и делящейся среды.

Ядерное деление создает около 2,5 нейтронов на акт деления в среднем. Следовательно, чтобы поддерживать стабильную, точно критическую цепную реакцию, 1,5 нейтрона на событие деления должны либо вытекать из системы, либо поглощаться, не вызывая дальнейших делений.

На каждые 1000 нейтронов, высвобождаемых при делении, небольшое количество, обычно не более 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 одним долларом 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. Остальные 993 мгновенных нейтрона 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 от поглощения, так и от утечки), тогда 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, за очень короткий промежуток времени наблюдается очень большой рост нейтронной популяции. Поскольку каждое событие деления дает около 200 МэВ на деление, это приводит к очень большому всплеску энергии в виде «мгновенно-критического всплеска». Этот всплеск может быть легко обнаружен приборами дозиметрии излучения и детекторами "системы аварийной сигнализации критичности", которые установлены должным образом.

Типы аварий

Аварии критичности делятся на две категории:

  • Производственные аварии , при которых нарушаются меры контроля, предотвращающие любую критичность;
  • Аварии на реакторах , которые происходят из-за ошибок оператора или других непредвиденных событий (например, во время технического обслуживания или загрузки топлива) в местах, предназначенных для достижения критичности или приближения к ней, таких как атомные электростанции , ядерные реакторы и ядерные эксперименты.

Типы экскурсий можно разделить на четыре категории, отражающие характер эволюции во времени:

  1. Оперативная экскурсия по критичности
  2. Переход по критичности
  3. Экспоненциальная экскурсия
  4. Стационарная экскурсия

Быстрое критическое отклонение характеризуется предысторией мощности с начальным мгновенным критическим всплеском, как отмечалось ранее, которое либо само прекращается, либо продолжается с хвостовой областью, которая уменьшается в течение длительного периода времени. Переходная критическая экскурсии характеризуются постоянная или повторяющимся узором шипа (иногда известный как «урчание») после начальной подсказки-критической экскурсии. Самая продолжительная из 22 технологических аварий произошла на заводе Hanford Works в 1962 году и длилась 37,5 часов. Авария на Токаймуре в 1999 году оставалась критической около 20 часов, пока ее не остановили активным вмешательством. Экспоненциальный скачок характеризуется реактивностью менее одного добавленного доллара , 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 природного реактора Окло, который естественным образом производился в урановых месторождениях в Габоне , Африка, около 1,7 миллиарда лет назад.

Известные инциденты

С 1945 года было зарегистрировано не менее шестидесяти аварий с критичностью. В результате них погиб по меньшей мере 21 человек: семь в США, десять в Советском Союзе, два в Японии, один в Аргентине и один в Югославии. Девять произошли из-за технологических аварий, а остальные - из-за аварий исследовательских реакторов.

Аварии, связанные с критичностью, произошли в контексте производства и испытаний расщепляющегося материала как для ядерного оружия, так и для ядерных реакторов .

Дата Место нахождения Описание Травмы Смертельные случаи Ссылки
1944 г. Лос-Аламос Отто Фриш получил большую дозу радиации, чем предполагалось, когда на пару секунд наклонился над оригинальным устройством Lady Godiva . Он заметил, что красные лампы (которые обычно периодически мигают при испускании нейтронов) «светятся 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. Позже 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 эффект окружения докритической массы обогащенного урана водным отражателем. Эксперимент неожиданно приобрел решающее значение, когда вода просочилась в полиэтиленовый ящик, удерживающий 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 г. Лос-Аламос Ученый Гарри Даглиан получил смертельное радиационное отравление и умер через 25 дней после того, как случайно уронил кирпич из карбида вольфрама на сферу из плутония, которую позже (см. Следующую запись) прозвали ядром демона . Кирпич выступал в роли отражателя нейтронов , доводя массу до критической. Это была первая известная авария с критичностью, приведшая к летальному исходу. 0 1
21 мая 1946 г. Лос-Аламос Ученый Луи Слотин случайно облучил себя во время подобного инцидента (в то время называемого «аварией в Пахарито»), используя ту же самую сферу из плутония «демоническое ядро», которая и стала причиной аварии в Даглии. Слотин окружил плутониевую сферу двумя полусферическими чашками диаметром 9 дюймов из отражающего нейтроны материала бериллия ; один вверху и один внизу. Он использовал отвертку, чтобы держать чашки немного раздвинутыми, и сборка, таким образом, была подкритической. Когда отвертка случайно соскользнула, чашки закрылись вокруг плутония, и сборка стала сверхкритической. Слотин быстро разобрал устройство, таким образом, вероятно, спас жизни еще семи человек поблизости; Через девять дней Слотин умер от радиационного отравления . Ядро демона было переплавлено и повторно использовано в других испытаниях бомбы в последующие годы. 8 1
31 октября 1956 г. Национальная лаборатория Айдахо В прототипе реактора с ядерным реактивным двигателем HTRE-3 произошел «скачок мощности» - авария, которая привела к частичному расплавлению и повреждению всех топливных стержней в реакторе. Это произошло во время работы на малой мощности 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. Сообщений о травмах не поступало. 0 0
16 июня 1958 г. Ок-Ридж, штат Теннесси, инцидент с Y-12 Первая зарегистрированная критичность, связанная с переработкой урана, возникла на заводе Y-12. Во время обычного 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. В конце концов все восемь рабочих вернулись к работе. 8 0
15 октября 1958 г. Ядерный институт Винча В ядерном институте Винча в Винче , Югославия, произошла экскурсия по критичности тяжеловодного реактора RB , в результате чего один человек погиб и пятеро получили ранения. Первые выжившие получили первую в Европе трансплантацию костного мозга . 5 1
30 декабря 1958 г. Лос-Аламос Сесил Келли , химический оператор, работавший над очисткой плутония, включил мешалку на большом смесительном баке, что создало вихрь в баке. 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. По более поздним оценкам, Келли получил от 3900 до 4900 рад (от 36,385 до 45,715 Зв ). Другие операторы сообщили, что видели вспышку света и нашли Келли снаружи, сказав: «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 ядерный энергетический реактор армии США, подвергся паровому взрыву и демонтажу активной зоны из-за неправильного извлечения центрального стержня управления, в результате чего погибли три оператора. 0 3
24 июля 1964 г. Вуд-Ривер-Джанкшн Установка в Ричмонде, штат Род-Айленд, была спроектирована для извлечения урана из металлолома, оставшегося от производства топливных 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 получил смертельную дозу облучения 10 000 рад (100 Гр ). Девяносто минут спустя 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 заражении, скончался через 49 часов после инцидента. 0 1
10 декабря 1968 г. Маяк Центр по переработке ядерного топлива в центральной части России экспериментировал с методами очистки плутония с использованием различных растворителей для экстракции растворителями . Некоторые из этих растворителей переместились в резервуар, не предназначенный для их хранения, и превысили безопасный предел расщепления для этого резервуара. В противовес процедуре начальник смены приказал двум операторам опустить инвентарь резервуара и переместить растворитель в другое судно. 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 растворы плутония в контейнер неправильного типа - что более важно - формы . После того, как большая часть раствора растворителя была вылита, произошла вспышка света и тепла. «Встревоженный 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 последовало третье и самое большое отклонение от критичности, в результате которого 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 топливного стержня с помощью замедляющей воды в реакторе. Еще двое получили ранения. 2 1
10 августа 1985 г. Бухта Чажма , Владивосток Советская подводная лодка К-431 Подводная лодка была заправлена ​​топливом и заменена крышка бака реактора. Крышка была уложена неправильно, и ее пришлось снова поднимать с прикрепленными тягами. Балка должна была предотвратить слишком большое поднятие крышки, но эта балка была расположена неправильно, и крышка с тягами управления поднималась слишком высоко. В 10:55 утра реактор правого борта сразу стал критическим , что привело к отклонению критичности примерно на 5 · 10 18 делений и тепловому / паровому взрыву. В результате взрыва была выброшена новая партия топлива, разрушены кожухи машины, поврежден прочный корпус и кормовая переборка подводной лодки, а также частично разрушена заправочная хижина, при этом крыша хижины упала в воду на 70 метров. Последовал пожар, который был потушен через 4 часа, после чего началась оценка радиоактивного загрязнения . Десять человек погибли, еще 49 человек получили лучевые поражения, а большая территория на северо-западе была сильно загрязнена. 49 10
17 июня 1997 г. Саров Старший научный сотрудник Российского федерального ядерного центра Александр Захаров получил смертельную дозу 4850 бэр в результате аварии с критичностью. 0 1
30 сентября 1999 г. Tkai На японском предприятии по переработке урана в префектуре Ибараки рабочие вылили раствор уранилнитрата в резервуар для осаждения, который не был предназначен для хранения раствора этого обогащенного урана, что в конечном итоге привело к образованию критической массы, что привело к гибели двух рабочих из-за тяжелое радиационное облучение. 1 2

Существовали предположения, хотя и не подтвержденные экспертами по авариям с критичностью, что на АЭС «Фукусима-3» произошла авария с критичностью. Основываясь на неполной информации о ядерных авариях на АЭС «Фукусима-I» в 2011 году , доктор Ференц Дальноки-Вереш предполагает, что там могли возникнуть кратковременные критические состояния. Отметив, что на Фукусиме I могут произойти ограниченные неконтролируемые цепные реакции, 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 причиной возникновения этих лучей была авария 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 может 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.

Наблюдаемые эффекты

Изображение 60-дюймового циклотрона , около 1939 года, демонстрирующее внешний пучок ускоренных ионов (возможно, протонов или дейтронов ), ионизирующих окружающий воздух и вызывающих свечение ионизированного воздуха . Из-за схожего механизма образования синее свечение, как полагают, напоминает «синюю вспышку», которую видели Гарри Даглиан и другие свидетели критических происшествий.

Голубое свечение

Было замечено, что многие аварии с критичностью излучают синюю вспышку света.

Голубое свечение на конкретных результатах критичности аварии с флуоресценцией из возбужденных ионов, атомов и молекул окружающей среды падает обратно в невозбужденные состояния. Это также причина того, что электрические искры в воздухе, в том числе молнии , кажутся электрическими синими . Запах озона было сказано , чтобы быть признаком высокого окружающей среды радиоактивности от чернобыльцев .

Эта синяя вспышка или «синее свечение» также может быть отнесена к черенковскому излучению , если вода участвует в критической системе или когда синяя вспышка воспринимается человеческим глазом. Кроме того, если ионизирующее излучение непосредственно пересекает стекловидное тело глаза, излучение Черенкова может генерироваться и восприниматься как визуальное ощущение синего свечения / искры.

Это совпадение, что цвета черенковского света и света, испускаемого ионизированным воздухом, очень похожи на синий; их методы производства различны. Черенковское излучение действительно возникает в воздухе для частиц высоких энергий (таких как ливни частиц космических лучей ), но не для заряженных частиц с более низкой энергией, испускаемых в результате ядерного распада.

В условиях ядерной энергетики черенковское излучение вместо этого наблюдается в плотных средах, таких как вода, или в растворах, таких как нитрат уранила, на заводе по переработке. Черенковское излучение также могло быть причиной «синей вспышки», возникающей 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.

Тепловые эффекты

Некоторые люди сообщали о том, что почувствовали «волну жара» во время критического события. Неизвестно, может ли это быть психосоматической реакцией на осознание того, что только что произошло (т.е. высокая вероятность неминуемой неминуемой смерти от смертельной дозы радиации), или это физический эффект нагревания (или нетепловой стимуляции). от тепла зондирования нервов в коже) за счет излучения , испускаемого случае критичности.

Обзор всех аварий с критичностью с учетом свидетельств очевидцев показывает, что тепловые волны наблюдались только тогда, когда также наблюдалось флуоресцентное синее свечение ( не черенковский свет, см. Выше). Это наводит на мысль о возможной связи 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) из-за 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.

Смотрите также

В популярной культуре

Примечания

использованная литература

внешние ссылки