stringtranslate.com

Авария критичности

Авария с критичностью — это случайная неконтролируемая цепная реакция деления ядер . Иногда ее называют критическим выбросом , критическим выбросом мощности , расходящейся цепной реакцией или просто критическим . Любое такое событие включает в себя непреднамеренное накопление или размещение критической массы делящегося материала , например, обогащенного урана или плутония . Аварии с критичностью могут высвобождать потенциально смертельные дозы радиации, если они происходят в незащищенной среде .

При нормальных обстоятельствах критическая или сверхкритическая реакция деления (которая является самоподдерживающейся по мощности или увеличивается по мощности) должна происходить только внутри безопасного экранированного места, такого как активная зона реактора или подходящая испытательная среда. Авария критичности происходит, если та же самая реакция достигается непреднамеренно, например, в небезопасной среде или во время обслуживания реактора.

Хотя это и опасно и часто смертельно для людей в непосредственной близости, образовавшаяся критическая масса не сможет произвести мощный ядерный взрыв того типа, который предназначены для производства атомных бомб . Это связано с тем, что все конструктивные особенности, необходимые для создания ядерной боеголовки, не могут возникнуть случайно. В некоторых случаях тепло, выделяемое цепной реакцией, заставит делящиеся (и другие близлежащие) материалы расширяться. В таких случаях цепная реакция может либо перейти в устойчивое состояние с низкой мощностью, либо даже временно или навсегда остановиться (подкритическое состояние).

За всю историю развития атомной энергетики произошло не менее 60 аварий с критичностью, в том числе 22 в технологических средах, вне активных зон ядерных реакторов или экспериментальных сборок и 38 в небольших экспериментальных реакторах и других испытательных сборках. Хотя технологические аварии, происходящие вне реакторов, характеризуются большими выбросами радиации, выбросы локализованы. Тем не менее, смертельные радиационные воздействия имели место у лиц, находящихся близко к этим событиям, что привело к более чем 20 смертельным случаям. В нескольких авариях реакторов и критических экспериментальных сборок высвобождаемая энергия вызывала значительные механические повреждения или паровые взрывы . [1]

Физическая основа

Критичность возникает, когда достаточное количество делящегося материала ( критическая масса ) накапливается в небольшом объеме, так что каждое деление в среднем производит один нейтрон, который, в свою очередь, ударяет по другому делящемуся атому и вызывает еще одно деление. Это приводит к тому, что цепная реакция деления становится самоподдерживающейся в пределах массы материала. Другими словами, в критической массе число нейтронов, испускаемых с течением времени, в точности равно числу нейтронов, захваченных другим ядром или потерянных в окружающей среде. Если масса сверхкритическая, число нейтронов, испускаемых в единицу времени, превышает число поглощенных или потерянных, что приводит к каскаду ядерных делений с возрастающей скоростью.

Критичность может быть достигнута с помощью металлического урана или плутония, жидких растворов или порошковых суспензий. Цепная реакция зависит от ряда параметров, отмеченных мнемоникой MAGIC MERV (масса, поглощение, геометрия, взаимодействие, концентрация, замедление, обогащение, отражение и объем) [2] и MERMAIDS (масса, обогащение, отражение, замедление, поглощение, взаимодействие, плотность и форма). [3] Температура также является фактором критичности.

Расчеты могут быть выполнены для определения условий, необходимых для критического состояния, например, массы, геометрии, концентрации и т. д. При работе с делящимися материалами на гражданских и военных объектах для выполнения таких расчетов и обеспечения использования всех разумно осуществимых мер для предотвращения аварий, связанных с критичностью, как во время плановых нормальных операций, так и при любых потенциальных условиях нарушения технологического процесса, которые нельзя исключить на основе пренебрежимо малых вероятностей (разумно предсказуемые аварии).

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

В среднем при ядерном делении образуется около 2,5 нейтронов на акт деления. [4] Следовательно, для поддержания стабильной, точно критической цепной реакции, 1,5 нейтрона на акт деления должны либо вытекать из системы, либо поглощаться, не вызывая дальнейших делений.

На каждые 1000 нейтронов, высвобождаемых при делении, небольшое число, обычно не более 7, являются запаздывающими нейтронами , которые испускаются предшественниками продуктов деления, называемыми излучателями запаздывающих нейтронов . Эта фракция запаздывающих нейтронов, порядка 0,007 для урана, имеет решающее значение для управления цепной реакцией нейтронов в реакторах . Она называется одним долларом реактивности . Время жизни запаздывающих нейтронов колеблется от долей секунд до почти 100 секунд после деления. Нейтроны обычно классифицируются по 6 группам запаздывающих нейтронов. [4] Среднее время жизни нейтрона с учетом запаздывающих нейтронов составляет приблизительно 0,1 секунды, что делает цепную реакцию относительно легко контролируемой с течением времени. Оставшиеся 993 мгновенных нейтрона высвобождаются очень быстро, приблизительно через 1 мкс после события деления.

В стационарном режиме работы ядерные реакторы работают при точной критичности. Когда по крайней мере один доллар реактивности добавляется выше точной критической точки (где скорость производства нейтронов уравновешивает скорость потерь нейтронов, как от поглощения, так и от утечки), то цепная реакция не зависит от запаздывающих нейтронов. В таких случаях популяция нейтронов может быстро увеличиваться экспоненциально, с очень малой постоянной времени, известной как время жизни мгновенных нейтронов. Таким образом, наблюдается очень большое увеличение популяции нейтронов за очень короткий промежуток времени. Поскольку каждое событие деления вносит приблизительно 200 МэВ на деление, это приводит к очень большому выбросу энергии в виде «мгновенно-критического всплеска». Этот всплеск можно легко обнаружить с помощью приборов радиационной дозиметрии и детекторов «системы аварийной сигнализации критичности», которые правильно развернуты.

Типы аварий

Аварии с критичностью делятся на две категории:

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

  1. Быстрое изменение критичности
  2. Кратковременный скачок критичности
  3. Экспоненциальный подъем
  4. Стационарный режим работы

Мгновенно-критический скачок характеризуется историей мощности с начальным мгновенным критическим скачком, как отмечалось ранее, который либо прекращается сам по себе, либо продолжается с областью хвоста, которая уменьшается в течение длительного периода времени. Кратковременный критический скачок характеризуется продолжающимся или повторяющимся рисунком скачков (иногда называемым «пыхтением») после начального мгновенно-критического скачка. Самая длительная из 22 технологических аварий произошла на заводе Hanford Works в 1962 году и длилась 37,5 часов. Авария на АЭС Токаимура в 1999 году оставалась критической в ​​течение примерно 20 часов, пока ее не остановили с помощью активного вмешательства. Экспоненциальный скачок характеризуется реактивностью менее одного добавленного доллара , где популяция нейтронов растет как экспонента с течением времени, пока либо эффекты обратной связи, либо вмешательство не уменьшат реактивность. Экспоненциальный скачок может достичь пикового уровня мощности, затем со временем уменьшиться или достичь стационарного уровня мощности, где критическое состояние точно достигается для «стационарного» скачка.

Стационарный переход также является состоянием, в котором тепло, выделяемое делением, уравновешивается потерями тепла в окружающую среду. Этот переход был охарактеризован природным реактором Окло , который был естественным образом создан в урановых месторождениях в Габоне , Африка, около 1,7 миллиарда лет назад.

Известные инциденты

В отчете Лос-Аламоса (McLaughlin et al. [1] ) зафиксировано 60 аварий с критичностью в период с 1945 по 1999 год. Они привели к 21 смерти: семь в Соединенных Штатах, десять в Советском Союзе, два в Японии, один в Аргентине и один в Югославии. Девять из них произошли из-за технологических аварий, а остальные — из-за аварий исследовательских реакторов. Аварии с критичностью произошли в контексте производства и испытания расщепляющегося материала как для ядерного оружия , так и для ядерных реакторов .

В таблице ниже приведена подборка хорошо документированных инцидентов, в том числе некоторые, не включенные в отчет Маклафлина и др.

Было предположение, хотя и не подтвержденное экспертами по авариям с возникновением критичности, что на Фукусиме-3 произошла авария с возникновением критичности. Основываясь на неполной информации об авариях на АЭС «Фукусима-1» в 2011 году , доктор Ференц Далноки-Вереш предполагает, что там могли произойти переходные критические ситуации. [35] Отметив, что на АЭС «Фукусима-1» могут произойти ограниченные, неконтролируемые цепные реакции, представитель Международного агентства по атомной энергии ( МАГАТЭ ) «подчеркнул, что ядерные реакторы не взорвутся». [36] К 23 марта 2011 года нейтронные пучки уже наблюдались 13 раз на поврежденной АЭС «Фукусима». Хотя считалось, что авария с возникновением критичности не является причиной этих пучков, они могут указывать на то, что происходит ядерное деление. [37] 15 апреля TEPCO сообщила, что ядерное топливо расплавилось и упало на нижние секции защитной оболочки трех реакторов АЭС «Фукусима-1» , включая реактор три. Расплавленный материал не должен был прорвать один из нижних контейнеров, что могло бы вызвать массовый выброс радиоактивности. Вместо этого расплавленное топливо, как полагают, равномерно распределилось по нижним частям контейнеров реакторов № 1, № 2 и № 3, что делает возобновление процесса деления, известного как «повторная критичность», крайне маловероятным. [38]

Наблюдаемые эффекты

Изображение 60-дюймового циклотрона , около 1939 года, показывающее внешний пучок ускоренных ионов (возможно, протонов или дейтронов ), ионизирующих окружающий воздух и вызывающих свечение ионизированного воздуха . Из-за схожего механизма производства, считается, что синее свечение напоминает «синюю вспышку», которую видели Гарри Даглян и другие свидетели аварий с критичностью.

Голубое свечение

Было замечено, что многие критические аварии сопровождаются синей вспышкой света. [39]

Синее свечение критической аварии возникает из-за флуоресценции возбужденных ионов, атомов и молекул окружающей среды, которые возвращаются в невозбужденное состояние. [ 40] Это также является причиной того, что электрические искры в воздухе, включая молнии , кажутся электрически синими . Запах озона, как утверждали ликвидаторы Чернобыля , является признаком высокой радиоактивности окружающей среды .

Эту синюю вспышку или «синее свечение» также можно отнести к излучению Черенкова , если в критической системе участвует вода или когда синяя вспышка воспринимается человеческим глазом. [39] Кроме того, если ионизирующее излучение напрямую пересекает стекловидное тело глаза, излучение Черенкова может генерироваться и восприниматься как визуальное ощущение синего свечения/искры. [41]

Это совпадение, что цвет черенковского света и света, излучаемого ионизированным воздухом, очень похожий синий; их методы получения различны. Излучение Черенкова происходит в воздухе для частиц высокой энергии (таких как ливни частиц от космических лучей ) [42], но не для заряженных частиц с более низкой энергией, испускаемых при ядерном распаде.

Тепловые эффекты

Некоторые люди сообщали об ощущении «тепловой волны» во время критического события. [43] [44] Неизвестно, может ли это быть психосоматической реакцией на осознание того, что только что произошло (т. е. высокой вероятности неминуемой надвигающейся смерти от смертельной дозы радиации), или это физический эффект нагрева (или нетепловой стимуляции теплочувствительных нервов в коже) из-за излучения, испускаемого критическим событием.

Обзор всех аварий с критическим состоянием с показаниями очевидцев показывает, что волны тепла наблюдались только тогда, когда также наблюдалось флуоресцентное голубое свечение ( нечеренковский свет, см. выше). Это предполагает возможную связь между ними, и действительно, одна из них может быть потенциально идентифицирована. В плотном воздухе более 30% линий излучения азота и кислорода находятся в ультрафиолетовом диапазоне, а около 45% — в инфракрасном диапазоне. Только около 25% находятся в видимом диапазоне. Поскольку кожа ощущает свет (видимый или иной) из-за нагрева поверхности кожи, возможно, что это явление может объяснить восприятие волн тепла. [45] Однако это объяснение не было подтверждено и может не соответствовать интенсивности света, о которой сообщали очевидцы, по сравнению с интенсивностью воспринимаемого тепла. Дальнейшие исследования затруднены небольшим количеством данных, доступных из немногих случаев, когда люди были свидетелями этих инцидентов и выживали достаточно долго, чтобы предоставить подробный отчет о своем опыте и наблюдениях.

Смотрите также

В популярной культуре

Примечания

  1. ^ abc McLaughlin, Thomas P.; et al. (2000). Обзор аварий, связанных с критичностью (PDF) . Лос-Аламос: Национальная лаборатория Лос-Аламоса. LA-13638. Архивировано (PDF) из оригинала 27 сентября 2007 г. Получено 5 ноября 2012 г.
  2. ^ Фернандес, МеЛинда Х. (8 апреля 2020 г.). «LA-UR-20-22807: Операторы по работе с расщепляющимися материалами – Начальная подготовка» (PDF) . Национальная лаборатория Лос-Аламоса . стр. 134–147. Архивировано из оригинала 28 апреля 2021 г. . Получено 23 сентября 2020 г. .
  3. ^ Idaho National Engineering and Environmental Laboratory (сентябрь 1999 г.). "INEEL/EXT-98-00895: Criticality Safety Basics, a Study Guide" (PDF) . Office of Scientific and Technical Information (Rev. 1 ed.): 23–33 (PDF pp. 39–49). doi : 10.2172/751136 . Получено 23 сентября 2020 г. .
  4. ^ ab Льюис, Элмер Э. (2008). Основы физики ядерных реакторов. Elsevier. стр. 123. ISBN 978-0-08-056043-4. Архивировано из оригинала 20 февраля 2018 . Получено 4 июня 2016 .
  5. ^ Диана Престон До Fall-Out – От Марии Кюри до Хиросимы – Transworld – 2005 – ISBN 0-385-60438-6 стр. 278 
  6. ^ Маклафлин и др., страницы 78, 80–83.
  7. ^ Маклафлин и др., стр. 93, «В ходе этой экскурсии три человека получили дозы облучения в количестве 66, 66 и 7,4 респ .», Приложение A к LA: «респ.: устаревший термин для обозначения поглощенной дозы в тканях человека, замененный на рад . Первоначально произошел от рентгеновского эквивалента, физического».
  8. ^ Дион, Арнольд С. "Гарри Даглян: первая жертва атомной бомбы в мирное время в Америке". Архивировано из оригинала 22 июня 2011 года . Получено 13 апреля 2010 года .
  9. ^ Маклафлин и др., страницы 74–76, «Его доза была оценена как 510 бэр ».
  10. ^ "The blue flash". Restricted Data: The Nuclear Secrecy Blog . Архивировано из оригинала 24 мая 2016 года . Получено 29 июня 2016 года .
  11. ↑ Рассекреченный отчет. Архивировано 13 августа 2012 г. в Wayback Machine. Размеры бериллиевой сферы с ручным управлением см. на стр. 23.
  12. ↑ Маклафлин и др., страницы 74–76, «Восемь человек в комнате получили дозы около 2100, 360, 250, 160, 110, 65, 47 и 37 бэр ».
  13. ^ Авария на ядерной станции Y-12 в 1958 году и повышение безопасности. Архивировано 13 октября 2015 года на Wayback Machine.
  14. ^ Критическая авария на заводе Y-12 Архивировано 29 июня 2011 г. в Wayback Machine . Диагностика и лечение острого лучевого поражения, 1961, Женева, Всемирная организация здравоохранения, стр. 27–48.
  15. ^ Маклафлин и др., стр. 96, «Дозы облучения были интенсивными и оценивались в 205, 320, 410, 415, 422 и 433 бэр . Из шести присутствовавших человек один вскоре умер, а остальные пятеро выздоровели после тяжелых случаев лучевой болезни».
  16. ^ Джонстон, У. М. Роберт. "Авария реактора Винча, 1958". Архивировано из оригинала 27 января 2011 г. Получено 2 января 2011 г.
  17. ^ Новые взрывы на Фукусиме: danni al nocciolo. Ue: «In Giappone l'apocalisse». Архивировано 16 марта 2011 г. в Wayback Machine , 14 марта 2011 г.
  18. ↑ Авария с критической нагрузкой Сесила Келли. Архивировано 3 марта 2016 г. на Wayback Machine.
  19. ^ Стейси, Сьюзен М. (2000). "Глава 15: Инцидент SL-1" (PDF) . Доказательство принципа: история Национальной инженерной и экологической лаборатории Айдахо, 1949–1999 . Министерство энергетики США , Управление операций Айдахо. стр. 138–149. ISBN 978-0-16-059185-3. Архивировано (PDF) из оригинала 7 августа 2011 г. . Получено 8 сентября 2015 г. .
  20. ^ Маклафлин и др., страницы 33–34.
  21. ^ Джонстон, У. М. Роберт. "Авария критичности в Вуд-Ривер, 1964". Архивировано из оригинала 18 апреля 2017 года . Получено 7 декабря 2016 года .
  22. ^ Powell, Dennis E. (24 июля 2018 г.). "Смертельный случай в ядерной аварии на перекрестке Вуд-Ривер". New England Today . Архивировано из оригинала 24 октября 2018 г. Получено 23 октября 2018 г.
  23. ^ Маклафлин и др., страницы 40–43.
  24. ^ Маклафлин и др. стр. 103
  25. ^ "NRC: Информационное уведомление № 83-66, Приложение 1: Смертельный случай в критическом учреждении Аргентины". Архивировано из оригинала 3 июня 2016 года . Получено 7 декабря 2016 года .
  26. ^ "The Worst Nuclear Disasters". Time . 2012. Архивировано из оригинала 30 марта 2009. Получено 25 февраля 2012 .
  27. ^ Джонстон, У. М. Роберт. "Arzamas-16 criticality accident, 19". Архивировано из оригинала 19 апреля 2014 года . Получено 8 июля 2013 года .
  28. ↑ Кудрик, Игорь (23 июня 1997). "Научный сотрудник Арзамаса-16 умер 20 июня". Архивировано из оригинала 4 июля 2009 года . Получено 8 июля 2013 года .
  29. ^ Авария с критичностью в Сарове. Архивировано 4 февраля 2012 г. в Wayback Machine , МАГАТЭ , 2001 г.
  30. ^ Маклафлин и др., страницы 53–56.
  31. ^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 18 июня 2017 г. . Получено 25 июня 2017 г. .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
  32. ^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 15 июля 2017 г. . Получено 25 июня 2017 г. .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
  33. ^ Маклафлин и др., страницы 74-75.
  34. ^ ab McLaughlin et al. страницы 81-82
  35. ^ "Has Fukushima's Reactor No. 1 Gone Critical?". Ecocentric. Time . 30 марта 2011 г. Архивировано из оригинала 30 марта 2011 г. Получено 1 апреля 2011 г.
  36. ^ Джонатан Тироне; Сачико Сакамаки; Юрий Хамбер (31 марта 2011 г.). «Работники Фукусимы подвергаются угрозе из-за выбросов тепла; уровень радиации в море повышается». Архивировано из оригинала 1 апреля 2011 г.
  37. ^ Нейтронный пучок наблюдался 13 раз на поврежденной АЭС Фукусима . Эти «нейтронные пучки», как объясняют популярные СМИ, не объясняют и не доказывают скачок критичности, поскольку требуемая сигнатура (комбинированное отношение нейтронов к гамма-излучению примерно 1:3 не было подтверждено). Более правдоподобным объяснением является наличие нейтронов от продолжающихся делений в процессе распада. Крайне маловероятно, что повторная критичность произошла на Фукусиме-3, поскольку рабочие вблизи реактора не подвергались воздействию высокой дозы нейтронов за очень короткое время (миллисекунды), а приборы радиационного контроля на станции зафиксировали бы любые «повторяющиеся всплески», характерные для продолжающейся аварии с замедленной критичностью. ТОКИО, 23 марта, Kyodo News https://web.archive.org/web/20110323214235/http://english.kyodonews.jp/news/2011/03/80539.html
  38. ^ Топливо японского завода расплавилось на полпути через реакторы: отчет Поскольку не было большого выброса радиации вблизи реактора, а имеющаяся дозиметрия не указала на аномальную дозу нейтронов или отношение доз нейтронов к гамма-излучению, нет никаких доказательств аварии с возникновением критичности на Фукусиме. Пятница, 15 апреля 2011 г. "NTI: Global Security Newswire - Топливо японского завода расплавилось на полпути через реакторы: отчет". Архивировано из оригинала 2 декабря 2011 г. Получено 24 апреля 2011 г.
  39. ^ ab ED Clayton. "Аномалии ядерной критичности" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 24 сентября 2015 г.
  40. ^ Мартин А. Уман (1984). Молния. Courier Corporation. стр. 139. ISBN 978-0-486-64575-9. Архивировано из оригинала 29 июля 2020 . Получено 17 августа 2017 .
  41. ^ Тендлер, Ирвин И.; Хартфорд, Алан; Джермин, Майкл; ЛаРошель, Итан; Као, Сюй; Борза, Виктор; Александр, Дэниел; Бруза, Петр; Хупес, Джек; Муди, Карен; Марр, Брайан П.; Уильямс, Бенджамин Б.; Пог, Брайан У.; Гладстоун, Дэвид Дж.; Джарвис, Лесли А. (2020). «Экспериментально наблюдаемая генерация черенковского света в глазу во время лучевой терапии». Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики . 106 (2). Elsevier BV: 422–429. doi : 10.1016/j.ijrobp.2019.10.031 . ISSN  0360-3016. PMC 7161418 . PMID  31669563. 
  42. ^ "Science". Архивировано из оригинала 29 августа 2014 года . Получено 7 декабря 2016 года .
  43. ^ Маклафлин и др., стр. 42, «оператор увидел вспышку света и почувствовал импульс тепла».
  44. ↑ Маклафлин и др., стр. 88, «Нам в лицо ударила вспышка, ударил шок, поток тепла».
  45. ↑ Миннема, «Аварии, связанные с критичностью, и голубое свечение», Зимняя встреча Американского ядерного общества, 2007 г.

Ссылки

Внешние ссылки