Kritikulykke - Criticality accident

En kritisk ulykke er en utilsigtet ukontrolleret atomklyngekædereaktion . Det kaldes undertiden en kritisk ekskursion , kritisk effektudflugt eller divergerende kædereaktion . Enhver sådan begivenhed involverer utilsigtet ophobning eller arrangement af en kritisk masse af sprækkeligt materiale, f.eks. Beriget uran eller plutonium . Kritikulykker kan frigive potentielt dødelige stråledoser, hvis de opstår i et ubeskyttet miljø .

Under normale omstændigheder bør en kritisk eller superkritisk fissionsreaktion (en der er selvbærende ved magt eller øger magt) kun forekomme inden for et sikkert afskærmet sted, f.eks. En reaktorkerne eller et egnet testmiljø. En kritisk ulykke opstår, hvis den samme reaktion opnås utilsigtet, for eksempel i et usikkert miljø eller under reaktorvedligeholdelse.

Selvom den er farlig og ofte dødelig for mennesker i nærområdet, ville den dannede kritiske masse ikke være i stand til at producere en massiv atomeksplosion af den type, som fissionsbomber er designet til at producere. Dette skyldes, at alle de designfunktioner, der er nødvendige for at lave et atomsprænghoved, ikke kan opstå tilfældigt. I nogle tilfælde vil varmen, der frigives ved kædereaktionen, få de fissile (og andre nærliggende) materialer til at ekspandere. I sådanne tilfælde kan kædereaktionen enten slå sig ned i en lav effekt, stabil tilstand eller kan endda blive midlertidigt eller permanent lukket ned (subkritisk).

I historien om atomkraftudvikling er der sket mindst 60 kritiske ulykker, herunder 22 i procesmiljøer, uden for atomreaktorkerner eller eksperimentelle forsamlinger og 38 i små eksperimentelle reaktorer og andre testaggregater. Selvom procesuheld, der opstår uden for reaktorer, er kendetegnet ved store udslip af stråling, er frigivelserne lokaliseret. Ikke desto mindre er der sket dødelige strålingseksponeringer for personer i nærheden af ​​disse hændelser, hvilket resulterede i 14 dødsfald. I et par reaktor- og kritiske forsøgsulykker har den frigivne energi forårsaget betydelige mekaniske skader eller dampeksplosioner .

Fysisk grundlag

Kritik opstår, når tilstrækkeligt fissilt materiale (en kritisk masse ) akkumuleres i et lille volumen, således at hver fission i gennemsnit producerer en neutron, der igen rammer et andet fissilt atom, der forårsager en anden fission; dette får kædereaktionen til at blive selvbærende inden for materialemassen. Med andre ord overstiger antallet af neutroner, der udsendes over tid, antallet af neutroner, der er fanget af en anden kerne eller tabt for miljøet, hvilket resulterer i en kaskade med stigende nukleare fissioner.

Kritik kan opnås ved anvendelse af metallisk uran eller plutonium, flydende opløsninger eller pulveropslæmninger. Kædereaktionen er påvirket af parametre, der er noteret af akronymerne MAGIC MERV (for masse, absorption, geometri, interaktion, koncentration, moderation, berigelse, refleksion og volumen) og MERMAIDS (for masse, berigelse, refleksion, moderation, absorption, Interaktion, densitet og form). Temperatur er også en faktor.

Beregninger kan udføres for at bestemme de betingelser, der er nødvendige for en kritisk tilstand, masse, geometri, koncentration osv. Hvor fissile materialer håndteres i civile og militære installationer, er der specialuddannet personale ansat til at udføre sådanne beregninger og for at sikre, at alt er rimeligt praktisk muligt foranstaltninger bruges til at forhindre kritiske ulykker under både planlagte normale operationer og eventuelle potentielle procesforstyrrelser, der ikke kan afvises på grund af ubetydelige sandsynligheder (rimeligt forudsigelige ulykker).

Samlingen af ​​en kritisk masse etablerer en atomkædereaktion, hvilket resulterer i en eksponentiel ændring i neutronpopulationen over rum og tid, der fører til en stigning i neutronstrømmen . Denne øgede flux og tilhørende fissionshastighed producerer stråling, der indeholder både en neutron- og gammastrålekomponent og er ekstremt farlig for enhver ubeskyttet nærliggende livsform. Ændringshastigheden for neutronpopulationen afhænger af neutrongenereringstiden , som er karakteristisk for neutronpopulationen, tilstanden "kritikalitet" og det fissile medium.

En nuklear fission skaber i gennemsnit cirka 2,5 neutroner pr. Fissionhændelse. For at opretholde en stabil, nøjagtigt kritisk kædereaktion skal 1,5 neutroner pr. Fissionshændelse enten lække fra systemet eller absorberes uden at forårsage yderligere fissioner.

For hver 1.000 neutroner, der frigives ved fission, er et lille antal, typisk ikke mere end ca. 7, forsinkede neutroner, der udsendes fra fissionsproduktets forstadier, kaldet forsinkede neutronsendere . Denne forsinkede neutronfraktion i størrelsesordenen 0,007 for uran er afgørende for kontrollen af ​​neutronkædereaktionen i reaktorer . Det kaldes en dollar reaktivitet . Levetiden for forsinkede neutroner spænder fra brøkdele af sekunder til næsten 100 sekunder efter fission. Neutronerne er normalt klassificeret i 6 forsinkede neutrogrupper. Den gennemsnitlige neutronlevetid i betragtning af forsinkede neutroner er cirka 0,1 sek, hvilket gør kædereaktionen relativt let at kontrollere over tid. De resterende 993 hurtige neutroner frigives meget hurtigt, cirka 1 μs efter fissionsbegivenheden.

I stationær drift fungerer atomreaktorer med nøjagtig kritik. Når der tilføjes mindst en dollar reaktivitet over det nøjagtige kritiske punkt (hvor neutronproduktionshastigheden balancerer neutrontabshastigheden, både fra absorption og lækage), er kædereaktionen ikke afhængig af forsinkede neutroner. I sådanne tilfælde kan neutronpopulationen hurtigt stige eksponentielt med en meget lille tidskonstant, kendt som den hurtige neutronlevetid. Således er der en meget stor stigning i neutronpopulationen over en meget kort tidsramme. Da hver fissionshændelse bidrager med cirka 200 MeV pr. Fission, resulterer dette i et meget stort energisprøjt som en "hurtigkritisk stigning". Denne spike let kan afsløres ved stråling dosimetri instrumentering og "kritikalitet alarm ulykke system" detektorer, der er korrekt indsat.

Uheldstyper

Kritikulykker er opdelt i en af ​​to kategorier:

  • Behandle ulykker , hvor kontroller på plads for at forhindre kritik overtrædes;
  • Reaktorulykker , der opstår på grund af operatørfejl eller andre utilsigtede hændelser (f.eks. Under vedligeholdelse eller brændstofbelastning) på steder, der er beregnet til at opnå eller nærme sig kritikalitet, såsom atomkraftværker , atomreaktorer og atomeksperimenter.

Udflugtstyper kan klassificeres i fire kategorier, der viser evolutionens art over tid:

  1. Hurtig udflugt til kritik
  2. Forbigående kritisk udflugt
  3. Eksponentiel udflugt
  4. Steady-state udflugt

Den hurtigkritiske udflugt er kendetegnet ved en strømhistorik med en indledende hurtigkritisk stigning som tidligere bemærket, som enten selvafslutter eller fortsætter med en hale-region, der falder over en længere periode. Den forbigående kritiske ekskursion er kendetegnet ved et fortsat eller gentagende pigmønster (undertiden kendt som "chugging") efter den indledende hurtigkritiske ekskursion. Den længste af de 22 procesulykker skete på Hanford Works i 1962 og varede i 37,5 timer. Atomulykken i Tokaimura i 1999 forblev kritisk i cirka 20 timer, indtil den blev lukket ned ved aktiv intervention. Den eksponentielle ekskursion er karakteriseret ved en reaktivitet på mindre end en dollar tilsat, hvor neutronpopulationen stiger som en eksponentiel over tid, indtil enten feedback -effekter eller intervention reducerer reaktiviteten. Den eksponentielle ekskursion kan nå et topeffektniveau, derefter falde over tid eller nå et steady-state-effektniveau, hvor den kritiske tilstand nøjagtigt opnås for en "steady-state" -udflugt.

Udflugten ved steady-state er også en tilstand, hvor varmen, der genereres ved fission, afbalanceres af varmetabet til det omgivende miljø. Denne udflugt har været præget af Oklo naturlige reaktor, der naturligt blev produceret inden for uranforekomster i Gabon , Afrika for omkring 1,7 milliarder år siden.

Kendte hændelser

Der er registreret mindst tres kritiske ulykker siden 1945. Disse har forårsaget mindst 21 dødsfald: syv i USA, ti i Sovjetunionen, to i Japan, et i Argentina og et i Jugoslavien. Ni har været på grund af procesulykker, og de andre fra forskningsreaktorulykker.

Kritikulykker er sket i forbindelse med produktion og test af fissilt materiale til både atomvåben og atomreaktorer .

Dato Beliggenhed Beskrivelse Skader Dødsfald Ref
1944 Los Alamos Otto Frisch modtog en større dosis, end den var beregnet til, da han lænede sig over den originale Lady Godiva -enhed i et par sekunder. Han lagde mærke til, at de røde lamper (der normalt flimrer med mellemrum, når neutroner udsendes) 'lyser konstant'. Frischs krop havde reflekteret nogle neutroner tilbage til enheden, hvilket øgede sin neutronmultiplikation, og det var kun ved hurtigt at læne sig tilbage og væk fra enheden og fjerne et par af uranblokkene, at Frisch undgik skade. Bagefter sagde han, "Hvis jeg havde tøvet i yderligere to sekunder, før jeg fjernede materialet ... havde dosis været dødelig". Den 3. februar 1954 og den 12. februar 1957 skete der utilsigtede kritiske udflugter, der forårsagede skade på enheden, men heldigvis kun ubetydelige eksponeringer for personale. Denne originale Godiva -enhed var uoprettelig efter den anden ulykke og blev erstattet af Godiva II . 0 0
4. juni 1945 Los Alamos Forskeren John Bistline gennemførte et eksperiment for at bestemme effekten af ​​at omgive en underkritisk masse beriget uran med en vandreflektor. Eksperimentet blev uventet kritisk, da der sivede vand ind i polyethylenkassen , der holdt metallet. Da det skete, begyndte vandet at fungere som en yderst effektiv moderator frem for blot en neutronreflektor. Tre mennesker modtog ikke-dødelige doser af stråling. 3 0
21. august 1945 Los Alamos Forsker Harry Daghlian lidt dødelig stråling forgiftning og døde 25 dage senere efter et uheld droppe en wolframcarbid mursten på en kugle af plutonium, der var senere (se næste post) tilnavnet dæmon kerne . Murstenen fungerede som en neutronreflektor og bragte massen til kritik. Dette var den første kendte kritiske ulykke, der forårsagede dødsfald. 0 1
21. maj 1946 Los Alamos Videnskabsmand Louis Slotin bestrålede ved et uheld sig selv under en lignende hændelse (kaldet "Pajarito -ulykken" dengang) ved hjælp af den samme "dæmonkerne" -kugle af plutonium, der var ansvarlig for Daghlian -ulykken. Slotin omgav plutoniumkuglen med to halvkugleformede kopper med en diameter på 9 tommer af det neutronreflekterende materiale beryllium ; en ovenfor og en nedenfor. Han brugte en skruetrækker til at holde kopperne lidt fra hinanden og samlingen derved subkritisk. Når skruetrækkeren ved et uheld gled, lukkede kopperne rundt om plutoniet og sendte forsamlingen superkritisk. Slotin adskilte hurtigt enheden og derved sandsynligvis redde liv for syv andre i nærheden; Slotin døde af stråling forgiftning ni dage senere. Dæmonkernen blev smeltet ned og genbrugt i andre bombetest i de efterfølgende år. 8 1
31. oktober 1956 Idaho National Laboratory Prototypen atomstrålefremdrivningsreaktor HTRE-3 led en "strømudflugt"-en ulykke, der resulterede i en delvis nedsmeltning, der beskadigede alle brændstofstængerne i reaktoren. Dette skete under det, der skulle være et lavt strømforløb for at observere opvarmningshastigheder for reaktorkomponenter, hvor den eneste afkøling til reaktoren kom fra et par elektriske blæsere. Ulykken blev tilskrevet fejlkonfigurerede sensorer, ikke designet. Disse sensorer gav en forkert effektaflæsning, hvilket fik betjeningsstængerne til at blive trukket for langt ud. Ingen skader blev rapporteret. 0 0
16. juni 1958 Oak Ridge, Tennessee Y-12 hændelse Den første registrerede uranbehandlingsrelaterede kritikalitet fandt sted på Y-12-fabrikken. Under en rutinemæssig lækagetest fik en fissil opløsning ubevidst lov til at samle sig i en 55-gallon tromle. Udflugten varede i cirka 20 minutter og resulterede i, at otte arbejdere modtog betydelig eksponering. Der var ingen dødsfald, selvom fem var indlagt på hospital i fireogfyrre dage. Alle otte arbejdere vendte til sidst på arbejde. 8 0
15. oktober 1958 Vinča Nuclear Institute En kritisk ekskursion fandt sted i RB -reaktoren i tungt vand ved Vinca Nuclear Institute i Vinča , Jugoslavien, hvor en person blev dræbt og fem sårede. De første overlevende modtog den første knoglemarvstransplantation i Europa. 5 1
30. december 1958 Los Alamos Cecil Kelley , en kemisk operatør, der arbejder med plutoniumrensning, tændte en omrører på en stor blandetank, hvilket skabte en hvirvel i tanken. Plutonium, opløst i et organisk opløsningsmiddel, strømmede ind i midten af ​​hvirvelen. På grund af en procedurefejl indeholdt blandingen 3,27 kg plutonium, som nåede kritisk i omkring 200 mikrosekunder. Kelley modtog 3.900 til 4.900 rad (36.385 til 45.715 Sv ) ifølge senere estimater. De andre operatører rapporterede at have set et lysglimt og fandt Kelley udenfor og sagde "jeg brænder op! Jeg brænder op!" Han døde 35 timer senere. 0 1
3. januar 1961 SL-1 , 64 miles vest for Idaho Falls SL-1 , en amerikansk hærs eksperimentelle atomkraftreaktor gennemgik en dampeksplosion og kernedemontering på grund af forkert tilbagetrækning af den centrale kontrolstang og dræbte dens tre operatører. 0 3
24. juli 1964 Wood River Junction Anlægget i Richmond, Rhode Island var designet til at genvinde uran fra skrotmateriale, der blev tilovers fra produktion af brændstofelementer. Tekniker Robert Peabody, der har til hensigt at tilføje trichlorethen til en tank indeholdende uran-235 og natriumcarbonat for at fjerne organisk materiale, tilføjede uranopløsning i stedet for at producere en kritisk ekskursion. Operatøren blev udsat for en dødelig stråledosis på 10.000 rad (100 Gy ). Halvfems minutter senere skete der en anden ekskursion, da en fabrikschef vendte tilbage til bygningen og slukkede omrøreren og udsatte sig selv og en anden administrator for doser på op til 100 rad (1 Gy) uden dårlig effekt. Operatøren involveret i den første eksponering døde 49 timer efter hændelsen. 0 1
10. december 1968 Mayak Kernebrændstofbehandlingscentret i det centrale Rusland eksperimenterede med plutoniumrensningsteknikker ved hjælp af forskellige opløsningsmidler til opløsningsmiddelekstraktion . Nogle af disse opløsningsmidler blev overført til en tank, der ikke var beregnet til at rumme dem, og overskred den fissile sikre grænse for den pågældende tank. Mod proceduren beordrede en vagtchef to operatører til at sænke tankbeholdningen og fjerne opløsningsmidlet til et andet fartøj. To operatører brugte et "ugunstigt geometri -fartøj i en improviseret og ikke -godkendt operation som et midlertidigt fartøj til opbevaring af organisk plutoniumopløsning"; med andre ord, operatørerne dekanterede plutoniumløsninger til den forkerte type - endnu vigtigere, form - af beholderen. Efter at det meste af opløsningsmiddelopløsningen var blevet hældt ud, var der et glimt af lys og varme. "Forskrækket, operatøren tabte flasken, løb ned ad trappen og fra rummet." Efter at komplekset var blevet evakueret, kom vagthavende tilsynsførende og tilsynsførende for strålingskontrol ind i bygningen igen. Skifteansvarlig bedrager derefter strålingsstyringslederen og kom ind i hændelsesrummet; dette blev efterfulgt af den tredje og største kritiske ekskursion, der bestrålede vagthavende med en dødelig dosis stråling, muligvis på grund af et forsøg fra tilsynsføreren på at hælde opløsningen ned i et gulvafløb. 1 1
23. september 1983 Centro Atomico Constituyentes En operatør ved RA-2- forskningsreaktoren i Buenos Aires , Argentina, modtog en dødelig stråledosis på 3700 rad (37 Gy ), mens han ændrede brændstofstangkonfigurationen med modererende vand i reaktoren. To andre blev såret. 2 1
10. august 1985 Chazhma -bugten , Vladivostok Sovjetisk ubåd K-431 Ubåden var blevet tanket op, og reaktortankens låg blev udskiftet. Låget blev lagt forkert og skulle løftes igen med påmonterede kontrolstænger. En bjælke skulle forhindre låget i at blive løftet for langt, men denne bjælke var placeret forkert, og låget med kontrolstænger blev løftet for langt op. Ved 10:55 den styrbord blev reaktoren prompt kritisk , hvilket resulterer i en kritikalitet udflugt på ca. 5 · 10 18 fissioner og en termisk / dampeksplosion. Eksplosionen udviste den nye brændstoflast, ødelagde maskinens indhegninger, sprængte ubådens trykskrog og agterskott og ødelagde delvist brændstofshytten, hvor skurets tag faldt 70 meter væk i vandet. Der fulgte en brand, som blev slukket efter 4 timer, hvorefter vurderingen af ​​den radioaktive forurening begyndte. Der var ti dødsfald, og 49 andre mennesker led strålingsskader, og et stort område nordvest var stærkt forurenet. 49 10
17. juni 1997 Sarov Russisk føderalt nukleart center seniorforsker Alexandr Zakharov modtog en dødelig dosis på 4850 rem i en kritisk ulykke. 0 1
30. september 1999 Tōkai På det japanske uranoparbejdningsanlæg i Ibaraki Prefecture hældte arbejdere en uranylnitratopløsning i en nedbørstank, som ikke var designet til at indeholde en opløsning af denne uranberigelse, hvilket fik en eventuel kritisk masse til at dannes, hvilket resulterede i døden af ​​to arbejdere fra alvorlig stråling. 1 2

  • Sfæren af plutonium omgivet af neutronreflekterende wolframcarbidblokke i en genopførelse af Harry Daghlians eksperiment fra 1945.

  • En genskabelse af Slotin-hændelsen. Den indvendige halvkugle med tommelfingerhullet ved siden af ​​hånden er beryllium (erstatter uran-manipulationen i en Fat Man-bombe), med en ekstern større metalkugle under den, af aluminium. 3,5-tommers diameter (89 mm) plutonium " dæmon kerne " (det samme som i Daghlian hændelse) var inde på tidspunktet for ulykken, og ville ikke være synlige. Imidlertid er dens dimensioner sammenlignelige med de to små halvsfærer, der er vist i nærheden.

  • Billede af Lady Godiva -forsamlingen i den krypterede (sikre) konfiguration.

  • Billede af Lady Godiva -forsamlingen, der viser skaden forårsaget af understøtningsstængerne efter ekskursionen i februar 1954. Bemærk billederne er af forskellige forsamlinger.

Der var spekulationer, selvom det ikke var bekræftet hos eksperter i kritisk ulykke, at Fukushima 3 havde lidt en ulykke med kritik. Baseret på ufuldstændige oplysninger om atomulykkerne i Fukushima I 2011 , spekulerer Dr. Ferenc Dalnoki-Veress i, at der kan have forekommet forbigående kritikaliteter der. Med en bemærkning om, at begrænsede, ukontrollerede kædereaktioner kan forekomme i Fukushima I, understregede en talsmand for International Atomic Energy Agency ( IAEA ) ", at atomreaktorerne ikke eksploderer." Den 23. marts 2011 var neutronstråler allerede blevet observeret 13 gange på det lamme Fukushima atomkraftværk. Selvom en kritikalitetsulykke ikke antages at tage højde for disse bjælker, kan bjælkerne indikere, at nuklear fission forekommer. Den 15. april rapporterede TEPCO, at atombrændstof var smeltet og faldet til de nedre indeslutningsafsnit af tre af Fukushima I -reaktorerne, herunder reaktor tre. Det smeltede materiale forventedes ikke at bryde en af ​​de nedre beholdere, hvilket kunne forårsage en massiv radioaktivitet. I stedet menes det smeltede brændstof at have spredt sig ensartet på tværs af de nedre dele af beholderne af reaktorer nr. 1, nr. 2 og nr. 3, hvilket gør genoptagelsen af ​​fissionsprocessen, kendt som en "recriticality", højst usandsynlig.

Observerede effekter

Billede af en 60-tommer cyclotron , omkring 1939, der viser en ekstern stråle af accelererede ioner (måske protoner eller deuteroner ), der ioniserer den omgivende luft og forårsager en ioniseret luftglød . På grund af den lignende produktionsmekanisme menes den blå glød at ligne den "blå blitz", som Harry Daghlian og andre vidner om kritiske ulykker har set.

Blå glød

Se også: Ioniseret luftglød

Det er blevet observeret, at mange kritiske ulykker udsender et blåt lysglimt.

Den blå glød ved en kritisk ulykke skyldes fluorescensen af de ophidsede ioner, atomer og molekyler i det omgivende medium, der falder tilbage til uopspændte stater. Dette er også grunden til, at elektriske gnister i luften, herunder lyn , fremstår elektrisk blå . Duften af ozon siges at være et tegn på høj omgivende radioaktivitet fra Tjernobyl -likvidatorer .

Denne blå blink eller "blå glød" kan også tilskrives Cherenkov -stråling , hvis enten vand er involveret i det kritiske system, eller når den blå blitz opleves af det menneskelige øje. Hvis ioniserende stråling direkte transporterer øjets glasagtige humor direkte, kan Cherenkov -stråling genereres og opfattes som en visuel blå glød/gnistfornemmelse.

Det er en tilfældighed, at farven på Cherenkov -lys og lys udsendt af ioniseret luft er meget ensblå; deres produktionsmetoder er forskellige. Cherenkov-stråling forekommer i luft for partikler med høj energi (f.eks. Partikelbyger fra kosmiske stråler ), men ikke for de lavere energiladede partikler, der udsendes fra atomforfald.

I nukleare omgivelser ses Cherenkov -stråling i stedet i tætte medier, såsom vand eller i en opløsning, såsom uranylnitrat i et genbehandlingsanlæg. Cherenkov -stråling kan også være ansvarlig for den "blå blitz", der opleves i en ekskursion på grund af krydset mellem partikler og den glasagtige humor inden for øjnene af dem, der er i nærvær af kritikken. Dette ville også forklare, at der ikke er registreret noget blåt lys i videoovervågning af de nyere hændelser.

Varmeeffekter

Nogle mennesker rapporterede at føle en "hedebølge" under en kritisk begivenhed. Det vides ikke, om dette kan være en psykosomatisk reaktion på erkendelsen af ​​det, der lige er sket (dvs. den store sandsynlighed for uundgåelig forestående død fra en dødelig stråledosis), eller om det er en fysisk effekt af opvarmning (eller ikke-termisk stimulering af varmefølende nerver i huden) på grund af stråling udsendt af kritikalitetshændelsen.

En gennemgang af alle de kritiske ulykker med øjenvidneberetninger indikerer, at hedebølgerne først blev observeret, når den fluorescerende blå glød ( ikke-Cherenkov- lyset, se ovenfor) også blev observeret. Dette ville foreslå et muligt forhold mellem de to, og faktisk kan en potentielt identificeres. I tæt luft er over 30% af emissionslinjerne fra nitrogen og ilt i det ultraviolette område, og omkring 45% er i det infrarøde område. Kun omkring 25% er i det synlige område. Da huden føles lys (synlig eller på anden måde) gennem sin opvarmning af hudoverfladen, er det muligt, at dette fænomen kan forklare hedebølgeopfattelserne. Denne forklaring er imidlertid ikke bekræftet og kan være i uoverensstemmelse med intensiteten af ​​lys rapporteret af vidner sammenlignet med intensiteten af ​​den opfattede varme. Yderligere forskning hindres af den lille mængde data, der er tilgængelig fra de få tilfælde, hvor mennesker har været vidne til disse hændelser og overlevet længe nok til at give en detaljeret redegørelse for deres oplevelser og observationer.

Se også

I populærkulturen

Noter

Referencer

eksterne links