Un accidente de criticidad es una reacción en cadena de fisión nuclear accidental e incontrolada . A veces se lo denomina excursión crítica , excursión de potencia crítica , reacción en cadena divergente o simplemente crítico . Cualquier evento de este tipo implica la acumulación o disposición no intencionada de una masa crítica de material fisible , por ejemplo, uranio enriquecido o plutonio . Los accidentes de criticidad pueden liberar dosis de radiación potencialmente fatales si ocurren en un entorno desprotegido .
En circunstancias normales, una reacción de fisión crítica o supercrítica (que se mantiene en potencia o aumenta de forma automática) solo debería producirse en un lugar protegido de forma segura, como el núcleo de un reactor o un entorno de prueba adecuado. Se produce un accidente de criticidad si la misma reacción se produce de forma no intencionada, por ejemplo, en un entorno inseguro o durante el mantenimiento del reactor.
Aunque es peligrosa y frecuentemente letal para los seres humanos que se encuentran en el área inmediata, la masa crítica formada no sería capaz de producir una explosión nuclear masiva del tipo que las bombas de fisión están diseñadas para producir. Esto se debe a que todas las características de diseño necesarias para fabricar una ojiva nuclear no pueden surgir por casualidad. En algunos casos, el calor liberado por la reacción en cadena hará que los materiales fisionables (y otros materiales cercanos) se expandan. En tales casos, la reacción en cadena puede asentarse en un estado estable de baja potencia o incluso puede detenerse temporal o permanentemente (subcrítica).
En la historia del desarrollo de la energía atómica , han ocurrido al menos 60 accidentes de criticidad, incluidos 22 en entornos de proceso, fuera de núcleos de reactores nucleares o conjuntos experimentales, y 38 en pequeños reactores experimentales y otros conjuntos de prueba. Aunque los accidentes de proceso que ocurren fuera de los reactores se caracterizan por grandes liberaciones de radiación, estas liberaciones son localizadas. No obstante, se han producido exposiciones fatales a la radiación en personas cercanas a estos eventos, lo que ha dado lugar a más de 20 muertes. En unos pocos accidentes de reactores y conjuntos de experimentos críticos, la energía liberada ha causado daños mecánicos importantes o explosiones de vapor . [1]
La criticidad se produce cuando se acumula suficiente material fisible (una masa crítica ) en un volumen pequeño de modo que cada fisión, en promedio, produce un neutrón que, a su vez, choca con otro átomo fisible y provoca otra fisión. Esto hace que la reacción en cadena de fisión se vuelva autosostenible dentro de la masa de material. En otras palabras, en una masa crítica, el número de neutrones emitidos a lo largo del tiempo es exactamente igual al número de neutrones capturados por otro núcleo o perdidos en el medio ambiente. Si la masa es supercrítica, el número de neutrones emitidos por unidad de tiempo excede los absorbidos o perdidos, lo que da como resultado una cascada de fisiones nucleares a un ritmo creciente.
La criticidad se puede lograr mediante el uso de uranio metálico o plutonio, soluciones líquidas o lodos en polvo. La reacción en cadena se ve influida por una serie de parámetros indicados por las reglas mnemotécnicas MAGIC MERV (masa, absorción, geometría, interacción, concentración, moderación, enriquecimiento, reflexión y volumen) [2] y MERMAIDS (masa, enriquecimiento, reflexión, moderación, absorción, interacción, densidad y forma). [3] La temperatura también es un factor en la criticidad.
Se pueden realizar cálculos para determinar las condiciones necesarias para un estado crítico, por ejemplo, masa, geometría, concentración, etc. Cuando se manipulan materiales fisionables en instalaciones civiles y militares, se emplea personal especialmente capacitado para realizar dichos cálculos y garantizar que se utilicen todas las medidas razonablemente practicables para prevenir accidentes de criticidad, tanto durante las operaciones normales planificadas como durante cualquier condición potencial de alteración del proceso que no se pueda descartar sobre la base de probabilidades insignificantes (accidentes razonablemente previsibles).
La formación de una masa crítica genera una reacción nuclear en cadena, que da lugar a una tasa exponencial de cambio de la población de neutrones en el espacio y el tiempo, lo que conduce a un aumento del flujo de neutrones . Este aumento del flujo y la tasa de fisión que conlleva produce una radiación que contiene un componente de neutrones y rayos gamma y es extremadamente peligrosa para cualquier forma de vida cercana que no esté protegida. La tasa de cambio de la población de neutrones depende del tiempo de generación de neutrones , que es característico de la población de neutrones, del estado de "criticidad" y del medio fisible.
Una fisión nuclear crea aproximadamente 2,5 neutrones por evento de fisión en promedio. [4] Por lo tanto, para mantener una reacción en cadena estable y exactamente crítica, 1,5 neutrones por evento de fisión deben filtrarse del sistema o ser absorbidos sin causar más fisiones.
Por cada 1.000 neutrones liberados por la fisión, un pequeño número, normalmente no más de unos 7, son neutrones retardados que se emiten desde los precursores de los productos de fisión, llamados emisores de neutrones retardados . Esta fracción de neutrones retardados, del orden de 0,007 para el uranio, es crucial para el control de la reacción en cadena de neutrones en los reactores . Se llama un dólar de reactividad . La vida útil de los neutrones retardados varía desde fracciones de segundo hasta casi 100 segundos después de la fisión. Los neutrones se clasifican normalmente en 6 grupos de neutrones retardados. [4] La vida útil media de los neutrones considerando los neutrones retardados es de aproximadamente 0,1 s, lo que hace que la reacción en cadena sea relativamente fácil de controlar a lo largo del tiempo. Los 993 neutrones rápidos restantes se liberan muy rápidamente, aproximadamente 1 μs después del evento de fisión.
En el funcionamiento en estado estacionario, los reactores nucleares funcionan en un punto crítico exacto. Cuando se añade al menos un dólar de reactividad por encima del punto crítico exacto (donde la tasa de producción de neutrones equilibra la tasa de pérdidas de neutrones, tanto por absorción como por fuga), la reacción en cadena no depende de neutrones retardados. En tales casos, la población de neutrones puede aumentar rápidamente de manera exponencial, con una constante de tiempo muy pequeña, conocida como tiempo de vida del neutrón inmediato. Por lo tanto, hay un aumento muy grande en la población de neutrones en un período de tiempo muy corto. Dado que cada evento de fisión contribuye aproximadamente con 200 MeV por fisión, esto da como resultado una explosión de energía muy grande llamada "pico crítico inmediato". Este pico puede detectarse fácilmente mediante instrumentación de dosimetría de radiación y detectores de "sistemas de alarma de accidentes por criticidad" que se implementan adecuadamente.
Los accidentes de criticidad se dividen en una de dos categorías:
Los tipos de excursión se pueden clasificar en cuatro categorías que representan la naturaleza de la evolución a lo largo del tiempo:
La excursión crítica inmediata se caracteriza por un historial de potencia con un pico crítico inmediato inicial, como se señaló anteriormente, que se autotermina o continúa con una región de cola que disminuye durante un período prolongado de tiempo. La excursión crítica transitoria se caracteriza por un patrón de pico continuo o repetitivo (a veces conocido como "traqueteo") después de la excursión crítica inmediata inicial. El más largo de los 22 accidentes de proceso ocurrió en Hanford Works en 1962 y duró 37,5 horas. El accidente nuclear de Tokaimura de 1999 siguió siendo crítico durante aproximadamente 20 horas, hasta que se apagó mediante una intervención activa. La excursión exponencial se caracteriza por una reactividad de menos de un dólar agregado, donde la población de neutrones aumenta como exponencial con el tiempo, hasta que los efectos de retroalimentación o la intervención reducen la reactividad. La excursión exponencial puede alcanzar un nivel de potencia pico, luego disminuir con el tiempo o alcanzar un nivel de potencia de estado estable, donde el estado crítico se logra exactamente para una excursión de "estado estable".
La excursión al estado estacionario es también un estado en el que el calor generado por la fisión se equilibra con las pérdidas de calor al entorno ambiental. Esta excursión ha sido caracterizada por el reactor natural Oklo que se produjo de forma natural dentro de los depósitos de uranio en Gabón , África, hace unos 1.700 millones de años.
Un informe de Los Alamos [1] registró 60 accidentes de criticidad entre 1945 y 1999. Estos causaron 21 muertes: siete en los Estados Unidos, diez en la Unión Soviética, dos en Japón, uno en Argentina y uno en Yugoslavia. Nueve se debieron a accidentes de proceso y los demás a accidentes en reactores de investigación. Los accidentes de criticidad se han producido en el contexto de la producción y prueba de material fisible tanto para armas nucleares como para reactores nucleares .
La siguiente tabla ofrece una selección de incidentes bien documentados.
Fecha | Ubicación | Descripción | Lesiones | Muertes | Referencias |
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1944 | Los Álamos | Otto Frisch recibió una dosis de radiación mayor de la prevista cuando se inclinó sobre el dispositivo Lady Godiva original durante un par de segundos. Observó que las lámparas rojas (que normalmente parpadeaban de forma intermitente cuando se emitían neutrones) estaban "brillando continuamente". El cuerpo de Frisch había reflejado algunos neutrones hacia el dispositivo, aumentando su multiplicación de neutrones, y solo inclinándose rápidamente hacia atrás y alejándose del dispositivo y retirando un par de bloques de uranio, Frisch escapó del daño. Después dijo: "Si hubiera dudado otros dos segundos antes de retirar el material... la dosis habría sido fatal". El 3 de febrero de 1954 y el 12 de febrero de 1957, se produjeron excursiones de criticidad accidentales que causaron daños al dispositivo pero solo exposiciones insignificantes al personal. Este dispositivo Godiva original fue irreparable después del segundo accidente y fue reemplazado por el Godiva II . | 0 | 0 | [5] [6] |
4 de junio de 1945 | Los Álamos | El científico John Bistline estaba realizando un experimento para determinar el efecto de rodear una masa subcrítica de uranio enriquecido con un reflector de agua. El experimento se volvió inesperadamente crítico cuando se filtró agua en la caja de polietileno que contenía el metal. Cuando eso sucedió, el agua comenzó a funcionar como un moderador altamente efectivo en lugar de solo un reflector de neutrones. Tres personas recibieron dosis no fatales de radiación. | 3 | 0 | [7] |
21 de agosto de 1945 | Los Álamos | El científico Harry Daghlian sufrió un envenenamiento fatal por radiación y murió 25 días después tras dejar caer accidentalmente un ladrillo de carburo de tungsteno sobre una esfera de plutonio, que más tarde (ver siguiente entrada) fue apodada el núcleo del demonio . El ladrillo actuó como un reflector de neutrones , llevando la masa a un estado crítico. Este fue el primer accidente conocido en el que se produjo una muerte. | 0 | 1 | [8] [9] |
21 de mayo de 1946 | Los Álamos | El científico Louis Slotin se irradió accidentalmente durante un incidente similar (llamado en su momento el "accidente de Pajarito") utilizando la misma esfera de plutonio "demonio" involucrada en el accidente de Daghlian. Slotin rodeó la esfera de plutonio con dos copas hemisféricas de 9 pulgadas de diámetro de berilio , un material que refleja los neutrones , una encima y otra debajo. Estaba utilizando un destornillador para mantener las copas ligeramente separadas y, por lo tanto, el conjunto subcrítico, en contra de los protocolos normales. Cuando el destornillador se deslizó accidentalmente, las copas se cerraron alrededor del plutonio, lo que hizo que el conjunto fuera supercrítico. Slotin desmontó rápidamente el dispositivo, probablemente evitando que otras personas en la habitación sufrieran una exposición letal, pero el propio Slotin murió de envenenamiento por radiación nueve días después. El núcleo demoníaco se fundió y el material se reutilizó en otras pruebas de bombas en los años posteriores. [10] | 8 | 1 | [11] [12] |
16 de junio de 1958 | Oak Ridge, Tennessee | La primera criticidad relacionada con el procesamiento de uranio registrada ocurrió en la Planta Y-12 . Durante una prueba de fugas de rutina, se permitió que, sin saberlo, se acumulara una solución fisionable en un tambor de 55 galones. La fuga duró aproximadamente 20 minutos y dio como resultado que ocho trabajadores sufrieran una exposición significativa. No hubo víctimas mortales, aunque cinco de ellos estuvieron hospitalizados durante 44 días. Los ocho trabajadores finalmente regresaron al trabajo. | 8 | 0 | [13] [14] |
15 de octubre de 1958 | Instituto Nuclear de Vinča | En el reactor de agua pesada RB del Instituto Nuclear Boris Kidrič en Vinča (Yugoslavia) se produjo una salida de criticidad que causó la muerte de una persona y heridas a cinco. Los primeros supervivientes recibieron el primer trasplante de médula ósea en Europa. | 5 | 1 | [15] [16] [17] |
30 de diciembre de 1958 | Los Álamos | Cecil Kelley , un operador químico que trabajaba en la purificación de plutonio, encendió un agitador en un gran tanque de mezcla, lo que creó un vórtice en el tanque. El plutonio, disuelto en un disolvente orgánico, fluyó hacia el centro del vórtice. Debido a un error de procedimiento, la mezcla contenía 3,27 kg de plutonio, que alcanzó la criticidad durante unos 200 microsegundos. Kelley recibió de 3.900 a 4.900 rad (36,385 a 45,715 Sv ) según estimaciones posteriores. Los otros operadores informaron haber visto un destello brillante de luz azul y encontraron a Kelley afuera, diciendo "¡Me estoy quemando! ¡Me estoy quemando!". Murió 35 horas después. | 0 | 1 | [18] |
3 de enero de 1961 | SL-1 , 40 millas (64 km) al oeste de Idaho Falls | SL-1 , un reactor nuclear experimental del Ejército de los Estados Unidos, sufrió una explosión de vapor y el desmontaje del núcleo debido a la extracción manual incorrecta de la barra de control central, matando a sus tres operadores por la fuerza de la explosión y siendo empalados. | 0 | 3 | [19] |
24 de julio de 1964 | Cruce del río Wood | La instalación de Richmond, Rhode Island, fue diseñada para recuperar uranio de los restos de material de desecho de la producción de elementos combustibles. El técnico Robert Peabody, que pretendía añadir tricloroeteno a un tanque que contenía uranio-235 y carbonato de sodio para eliminar los componentes orgánicos, añadió en su lugar una solución de uranio, lo que produjo una desviación de criticidad. El operador estuvo expuesto a una dosis de radiación letal de 10.000 rad (100 Gy ). Noventa minutos después se produjo una segunda desviación cuando un director de la planta regresó al edificio y apagó el agitador, exponiéndose él mismo y otro administrador a dosis de hasta 100 rad (1 Gy) sin efectos nocivos. El operador implicado en la exposición inicial murió 49 horas después del incidente. | 0 | 1 | [20] [21] [22] |
10 de diciembre de 1968 | mayak | El centro de procesamiento de combustible nuclear en Rusia central estaba experimentando con técnicas de purificación de plutonio utilizando diferentes solventes para la extracción de solventes . Algunos de estos solventes se trasladaron a un tanque que no estaba destinado a contenerlos y excedieron el límite de seguridad fisible para ese tanque. En contra del procedimiento, un supervisor de turno ordenó a dos operadores que redujeran el inventario del tanque y trasladaran el solvente a otro recipiente. Dos operadores estaban utilizando un "recipiente de geometría desfavorable en una operación improvisada y no aprobada como recipiente temporal para almacenar solución orgánica de plutonio"; en otras palabras, los operadores estaban decantando soluciones de plutonio en un tipo de recipiente incorrecto (y más importante, en una forma incorrecta). Después de que se vertió la mayor parte de la solución de solvente, hubo un destello de luz y calor. "Sorprendido, el operador dejó caer la botella, corrió por las escaleras y salió de la habitación". Después de que se evacuó el complejo, el supervisor de turno y el supervisor de control de radiación volvieron a ingresar al edificio. El supervisor de turno luego engañó al supervisor de control de radiación y entró en la habitación del incidente; A esto le siguió la tercera y mayor excursión de criticidad que irradió al supervisor de turno con una dosis letal de radiación, posiblemente debido a un intento del supervisor de verter la solución por un desagüe del piso. | 1 | 1 | [23] |
23 de septiembre de 1983 | Centro Atómico Constituyentes | Un operador del reactor de investigación RA-2 en Buenos Aires , Argentina, recibió una dosis de radiación letal de 3700 rad (37 Gy ) mientras cambiaba la configuración de las barras de combustible con agua moderadora en el reactor. El operador murió después de 49 horas. Otros dos resultaron heridos. | 2 | 1 | [24] [25] |
10 de agosto de 1985 | Bahía de Chazhma, Vladivostok | EspañolLa tapa del tanque del reactor del submarino soviético de propulsión nuclear K-431 estaba siendo reemplazada, después de haber sido reabastecido. La tapa estaba colocada incorrectamente y tuvo que ser levantada nuevamente con las barras de control unidas. Se suponía que una viga evitaría que la tapa se levantara demasiado, pero esta viga estaba colocada incorrectamente y la tapa con las barras de control se levantó demasiado. A las 10:55 AM el reactor de estribor se volvió crítico de inmediato , lo que resultó en una excursión de criticidad de aproximadamente 5·10 18 fisiones y una explosión térmica/de vapor. La explosión expulsó la nueva carga de combustible, destruyó los recintos de las máquinas, rompió el casco de presión y el mamparo de popa del submarino y destruyó parcialmente la caseta de abastecimiento de combustible, con el techo de la caseta cayendo 70 metros al agua. A continuación se produjo un incendio, que fue extinguido después de 4 horas, después de lo cual comenzó la evaluación de la contaminación radiactiva . Hubo diez muertos y otras 49 personas sufrieron lesiones por radiación, y una gran área al noroeste de la península de Dunay fue gravemente contaminada. | 49 | 10 | [26] |
17 de junio de 1997 | Sarov | El investigador principal del Centro Nuclear Federal Ruso, Alexandr Zakharov, recibió una dosis letal de 4.850 rem en un accidente de criticidad. | 0 | 1 | [27] [28] [29] |
30 de septiembre de 1999 | Tokai | En las instalaciones japonesas de reprocesamiento de uranio en la prefectura de Ibaraki , los técnicos que trabajaban en la producción de combustible para el reactor rápido Jōyō vertieron una solución de nitrato de uranilo en un tanque de precipitación que no estaba diseñado para contener una solución de este enriquecimiento de uranio, lo que provocó la formación de una masa crítica que resultó en la muerte de dos trabajadores por exposición severa a la radiación. | 1 | 2 | [30] [31] [32] |
Hubo especulaciones, aunque no confirmadas, entre los expertos en accidentes de criticidad, de que Fukushima 3 sufrió un accidente de criticidad. Basándose en información incompleta sobre los accidentes nucleares de Fukushima I de 2011 , el Dr. Ferenc Dalnoki-Veress especula que pueden haberse producido criticidades transitorias allí. [35] Al señalar que podrían producirse reacciones en cadena limitadas e incontroladas en Fukushima I, un portavoz del Organismo Internacional de Energía Atómica ( OIEA ) "enfatizó que los reactores nucleares no explotarán". [36] Para el 23 de marzo de 2011, ya se habían observado haces de neutrones 13 veces en la averiada central nuclear de Fukushima. Aunque no se creía que un accidente de criticidad fuera la causa de estos haces, estos podrían indicar que se está produciendo una fisión nuclear. [37] El 15 de abril, TEPCO informó de que el combustible nuclear se había derretido y caído a las secciones de contención inferiores de tres de los reactores de Fukushima I , incluido el reactor tres. No se esperaba que el material fundido atravesara uno de los contenedores inferiores, lo que podría causar una liberación masiva de radiactividad. En cambio, se cree que el combustible fundido se dispersó uniformemente por las partes inferiores de los contenedores de los reactores n.° 1, n.° 2 y n.° 3, lo que hace que la reanudación del proceso de fisión, conocido como "recriticidad", sea muy poco probable. [38]
Se ha observado que muchos accidentes de criticidad emiten un destello de luz azul. [39]
El resplandor azul de un accidente de criticidad es el resultado de la fluorescencia de los iones, átomos y moléculas excitados del medio circundante que vuelven a estados no excitados. [40] Esta es también la razón por la que las chispas eléctricas en el aire, incluidos los relámpagos , aparecen de color azul eléctrico . Los liquidadores de Chernóbil dijeron que el olor a ozono era un signo de alta radiactividad ambiental .
Este destello azul o "brillo azul" también se puede atribuir a la radiación Cherenkov , si hay agua involucrada en el sistema crítico o cuando el destello azul es experimentado por el ojo humano. [39] Además, si la radiación ionizante atraviesa directamente el humor vítreo del ojo, se puede generar radiación Cherenkov y percibirla como una sensación visual de brillo/chispa azul. [41]
Es una coincidencia que el color de la luz Cherenkov y la luz emitida por el aire ionizado sean de un azul muy similar; sus métodos de producción son diferentes. La radiación Cherenkov se produce en el aire para partículas de alta energía (como las lluvias de partículas de los rayos cósmicos ) [42], pero no para las partículas cargadas de menor energía emitidas por la desintegración nuclear.
Algunas personas informaron haber sentido una "ola de calor" durante un evento de criticidad. [43] [44] No se sabe si esto puede ser una reacción psicosomática a la comprensión de lo que acaba de ocurrir (es decir, la alta probabilidad de muerte inminente inevitable por una dosis de radiación fatal), o si es un efecto físico del calentamiento (o estimulación no térmica de los nervios sensores de calor en la piel) debido a la radiación emitida por el evento de criticidad.
Una revisión de todos los accidentes de criticidad con relatos de testigos oculares indica que las olas de calor solo se observaron cuando también se observó el resplandor azul fluorescente (la luz no Cherenkov , véase más arriba). Esto sugeriría una posible relación entre los dos, y de hecho, es posible identificar una. En el aire denso, más del 30% de las líneas de emisión del nitrógeno y el oxígeno están en el rango ultravioleta , y aproximadamente el 45% están en el rango infrarrojo . Solo alrededor del 25% están en el rango visible. Dado que la piel siente la luz (visible o no) a través del calentamiento de la superficie de la piel, es posible que este fenómeno pueda explicar las percepciones de las olas de calor. [45] Sin embargo, esta explicación no ha sido confirmada y puede ser incoherente con la intensidad de la luz reportada por los testigos en comparación con la intensidad del calor percibido. La investigación adicional se ve obstaculizada por la pequeña cantidad de datos disponibles de los pocos casos en que los humanos han presenciado estos incidentes y han sobrevivido lo suficiente como para proporcionar un relato detallado de sus experiencias y observaciones.
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