stringtranslate.com

Авария с критичностью

Авария с критичностью – это случайная неконтролируемая цепная реакция ядерного деления . Его иногда называют критическим отклонением , критическим отклонением мощности или расходящейся цепной реакцией . Любое такое событие предполагает непреднамеренное накопление или размещение критической массы делящегося материала, например, обогащенного урана или плутония . Аварии с критичностью могут привести к выбросу потенциально смертельных доз радиации, если они происходят в незащищенной среде .

При нормальных обстоятельствах критическая или сверхкритическая реакция деления (которая имеет самоподдерживающуюся или увеличивающуюся мощность) должна происходить только внутри безопасно экранированного места, такого как активная зона реактора или подходящая испытательная среда. Авария, связанная с критичностью, происходит, если та же самая реакция происходит непреднамеренно, например, в небезопасной среде или во время технического обслуживания реактора.

Хотя образовавшаяся критическая масса опасна и часто смертельна для людей, находящихся в непосредственной близости, она не будет способна произвести мощный ядерный взрыв того типа, для которого предназначены бомбы деления . Это связано с тем, что все конструктивные особенности , необходимые для создания ядерной боеголовки, не могут возникнуть случайно. В некоторых случаях тепло, выделяющееся в результате цепной реакции, приводит к расширению делящихся (и других близлежащих) материалов. В таких случаях цепная реакция может либо перейти в устойчивое состояние малой мощности, либо даже временно или навсегда прекратиться (докритическое 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 малых экспериментальных реакторах и других испытательных сборках. Хотя технологические аварии, происходящие вне реакторов, характеризуются большими выбросами радиации, эти выбросы локализованы. Тем не менее, лица, близкие к этим событиям, получили смертельное радиационное облучение, в результате чего погибло более 20 человек. В нескольких авариях реакторов и критических экспериментальных установок высвободившаяся энергия привела к значительным механическим повреждениям или паровым взрывам . [1]

Физическая основа

Критичность возникает, когда достаточное количество делящегося материала ( критическая масса ) накапливается в небольшом объеме, так что каждое деление в среднем производит нейтрон, который, в свою очередь, поражает другой делящийся атом, вызывая новое деление; это приводит к тому, что цепная реакция становится самоподдерживающейся в массе материала. Другими словами, в критической массе количество нейтронов, испускаемых с течением времени, точно равно количеству нейтронов, захваченных другим ядром или потерянных в окружающую среду. Если масса сверхкритическая, количество нейтронов, испускаемых в единицу времени, превышает количество поглощенных или потерянных, что приводит к каскаду ядерных делений с возрастающей скоростью.

Критичность может быть достигнута путем использования металлического урана или плутония, жидких растворов или порошковых суспензий. На цепную реакцию влияет ряд параметров, обозначенных аббревиатурами MAGIC MERV (масса, поглощение, геометрия, взаимодействие, концентрация, замедление, обогащение, отражение и объем) [2] и МЕРМАИДЫ (масса, обогащение, отражение, замедление). , поглощение, взаимодействие, плотность и форма). [3] Температура также является важным фактором.

Расчеты могут выполняться для определения условий, необходимых для критического состояния, массы, геометрии, концентрации и т. д. Если с делящимися материалами обращаются на гражданских и военных объектах, для выполнения таких расчетов и для обеспечения того, чтобы все разумно осуществимые меры используются для предотвращения аварий, связанных с критичностью, как во время запланированных нормальных операций, так и в любых потенциальных условиях нарушения процесса, которые нельзя исключить на основании незначительной вероятности (разумно предсказуемые аварии).

Сборка критической массы запускает цепную ядерную реакцию, приводящую к экспоненциальной скорости изменения численности нейтронов в пространстве и времени, что приводит к увеличению нейтронного потока . Этот увеличенный поток и сопутствующая ему скорость деления производят излучение, которое содержит как нейтронный , так и гамма- компоненты 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.

В результате ядерного деления в среднем образуется примерно 2,5 нейтрона за один акт деления. [4] Следовательно, для поддержания стабильной, точно критической цепной реакции, 1,5 нейтрона на каждый акт деления должны либо утечь из системы, либо быть поглощены, не вызывая дальнейшего деления.

На каждые 1000 нейтронов, выделяющихся при делении, небольшое количество, обычно не более 7, приходится на запаздывающие нейтроны , которые испускаются предшественниками продуктов деления, называемыми эмиттерами запаздывающих нейтронов . Эта доля запаздывающих нейтронов, порядка 0,007 для урана, имеет решающее значение для контроля нейтронной цепной реакции в реакторах . Это называется один доллар реактивности . Время жизни запаздывающих нейтронов колеблется от долей секунды до почти 100 секунд после деления. Нейтроны обычно классифицируются на шесть групп запаздывающих нейтронов. [4] Среднее время жизни нейтрона с учетом запаздывающих нейтронов составляет примерно 0,1 секунды, что позволяет относительно легко контролировать цепную реакцию во времени. Остальные 993 мгновенных нейтрона высвобождаются очень быстро, примерно через 1 мкс после акта деления.

В установившемся режиме ядерные реакторы работают с точной критичностью. Когда по крайней мере один доллар реактивности добавляется выше точной критической точки (где скорость производства нейтронов уравновешивает скорость потери 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 маленькой постоянной времени, известной как время жизни мгновенных нейтронов. Таким образом, за очень короткий промежуток времени происходит очень большой рост нейтронной популяции. Поскольку каждое событие деления дает примерно 200 МэВ на деление, это приводит к очень большому энергетическому всплеску в виде «мгновенного критического всплеска». Этот всплеск можно легко обнаружить с помощью дозиметрических приборов радиации и детекторов «системы сигнализации о критичности аварий», 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. Оперативное исследование критичности
  2. Переходный переход критичности
  3. Экспоненциальный экскурс
  4. Стационарная экскурсия

Мгновенно-критическое отклонение характеризуется историей мощности с начальным мгновенным критическим пиком, как отмечалось ранее, который либо самозавершается, либо продолжается с хвостовой областью, которая уменьшается в течение длительного периода времени. Временное критическое отклонение характеризуется продолжающимся или повторяющимся паттерном всплесков (иногда называемым «пыхтением») после первоначального резкого критического отклонения . Самая продолжительная из 22 технологических аварий произошла на заводе в Хэнфорде в 1962 году и продолжалась 37,5 часов. Атомная авария в Токаймуре в 1999 году оставалась критической в ​​течение примерно 20 часов, пока ее не удалось остановить путем активного вмешательства. Экспоненциальное отклонение характеризуется добавленной реактивностью менее одного доллара , при этом популяция нейтронов растет экспоненциально с течением времени, пока эффекты обратной связи или вмешательство не уменьшат реактивность. Экспоненциальное отклонение может достигать пикового уровня мощности, затем уменьшаться с течением времени или достигать устойчивого уровня мощности, при котором критическое состояние точно достигается для «стабильного» отклонения.

Стационарное состояние также является состоянием, в котором тепло, выделяемое при делении, уравновешивается потерями тепла в окружающую среду. Эта экскурсия характеризуется природным реактором Окло , который естественным образом образовался на урановых месторождениях в Габоне , Африка, около 1,7 миллиарда лет назад.

Известные инциденты

В докладе Лос-Аламоса (Маклафлин и др. [1] ) зафиксировано 60 аварий с критическими состояниями в период с 1945 по 1999 год. Они привели к 21 смерти: семь в США, десять в Советском Союзе, два в Японии, один в Аргентине и один в Югославия. Девять из них произошли из-за технологических аварий, а остальные - из-за аварий на исследовательских реакторах. Аварии с критичностью произошли в контексте производства и испытаний делящегося материала как для ядерного оружия , так и для ядерных реакторов .

В таблице ниже представлена ​​подборка хорошо задокументированных инцидентов, в том числе некоторые, не включенные в отчет Маклафлина и др.

Было предположение, хотя и не подтвержденное экспертами по авариям по критичности, что на Фукусиме-3 произошла авария, связанная с критичностью. Основываясь на неполной информации о ядерных авариях на Фукусиме-1 в 2011 году , доктор Ференц Дальноки-Верес предполагает, что там могли возникнуть переходные критические состояния. [35] Отметив, что на Фукусиме-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 атомной электростанции Фукусима. Хотя считалось, что эти лучи не связаны с аварией, вызванной критичностью, они могут указывать на то, что происходит ядерное деление. [37] 15 апреля TEPCO сообщила, что ядерное топливо расплавилось и упало в нижние секции защитной оболочки трех реакторов Фукусимы-1 , включая третий реактор. Не ожидалось, что расплавленный материал пробьет один из нижних контейнеров, что могло бы вызвать массовый выброс радиоактивности. Вместо этого считается, что расплавленное топливо равномерно распределилось по нижним частям контейнеров реакторов № 1, № 2 и № 3, что делает возобновление процесса деления, известного как «повторная критичность», весьма маловероятным. [38]

Наблюдаемые эффекты

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

Голубое свечение

Было замечено, что во многих авариях, связанных с критичностью, возникает вспышка синего света. [39]

Голубое свечение аварии критичности возникает в результате флуоресценции возбужденных ионов, атомов и молекул окружающей среды, переходящих обратно в невозбужденное состояние . [40] Это также причина того, что электрические искры в воздухе, в том числе молнии , кажутся электрическими синими . Ликвидаторы Чернобыля считали запах озона признаком высокой радиоактивности окружающей среды .

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

Это совпадение, что цвет черенковского света и света, излучаемого ионизированным воздухом, очень похож на синий; методы производства у них разные. Черенковское излучение действительно возникает в воздухе для частиц высоких энергий (таких как потоки частиц космических лучей ) [42], но не для заряженных частиц с более низкой энергией, испускаемых в результате ядерного распада.

Тепловые эффекты

Некоторые люди сообщили, что почувствовали «волну жары» во время критического события. [43] [44] Неизвестно, может ли это быть психосоматической реакцией на осознание только что произошедшего (т.е. высокая вероятность неминуемой неминуемой смерти от смертельной дозы радиации), или это физический эффект нагревания (или нетепловая стимуляция теплочувствительных нервов на коже) из-за радиации, испускаемой в результате критического события.

Анализ всех аварий с возникновением критичности с рассказами очевидцев показывает, что тепловые волны наблюдались только тогда, когда также наблюдалось флуоресцентное голубое свечение ( нечеренковское излучение, см. выше). Это предполагает возможную связь между ними, и действительно, одну из них потенциально можно идентифицировать. В плотном воздухе более 30% эмиссионных линий азота и кислорода находятся в ультрафиолетовом диапазоне и около 45% — в инфракрасном диапазоне. Лишь около 25% находятся в видимом диапазоне. Поскольку кожа ощущает свет (видимый или иной) за счет нагрева поверхности кожи, вполне возможно, что этот феномен может объяснить восприятие тепловой волны. [45] Однако это объяснение не было подтверждено и может не соответствовать интенсивности света, о которой сообщили свидетели, по сравнению с интенсивностью ощущаемого тепла. Дальнейшие исследования затруднены из-за небольшого количества данных, доступных из тех 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 Маклафлин, Томас П.; и другие. (2000). Обзор аварий с критичностью (PDF) . Лос-Аламос: Национальная лаборатория Лос-Аламоса. ЛА-13638. Архивировано (PDF) из оригинала 27 сентября 2007 г. Проверено 5 ноября 2012 г.
  2. ↑ Фернандес, Мелинда Х. (8 апреля 2020 г.). «LA-UR-20-22807: Операторы по обращению с делящимися материалами – начальная подготовка» (PDF) . Лос-Аламосская национальная лаборатория . стр. 134–147. Архивировано из оригинала 28 апреля 2021 года . Проверено 23 сентября 2020 г.
  3. ^ Национальная инженерно-экологическая лаборатория Айдахо (сентябрь 1999 г.). «INEEL/EXT-98-00895: Основы безопасности при критичности, учебное пособие» (PDF) . Управление научной и технической информации (1-е изд.): 23–33 (PDF, стр. 39–49). дои : 10.2172/751136 . Проверено 23 сентября 2020 г.
  4. ^ Аб Льюис, Элмер Э. (2008). Основы физики ядерных реакторов. Эльзевир. п. 123. ИСБН 978-0-08-056043-4. Архивировано из оригинала 20 февраля 2018 года . Проверено 4 июня 2016 г.
  5. ^ Дайана Престон перед ссорой – 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 этой экскурсии три человека получили дозы радиации в количествах 66, 66 и 7,4 реп .», LA Приложение А: «реп: Устаревший термин для обозначения поглощенной дозы в тканях человека, замененный на рад . Первоначально получено от рентгеновского эквивалента, физического».
  8. ^ Дион, Арнольд С. «Гарри Даглян: первый в Америке погибший от атомной бомбы в мирное время». Архивировано из оригинала 22 июня 2011 года . Проверено 13 апреля 2010 г.
  9. ^ Маклафлин и др. страницы 74–76: «Его доза оценивалась в 510 бэр ».
  10. ^ "Синяя вспышка". Данные с ограниченным доступом: Блог о ядерной секретности . Архивировано из оригинала 24 мая 2016 года . Проверено 29 июня 2016 г.
  11. ↑ Рассекреченный отчет. Архивировано 13 августа 2012 г. в Wayback Machine. См. стр. 23 указаны размеры бериллиевой сферы с ручным управлением.
  12. ^ Маклафлин и др. страницы 74–76: «Восемь человек в комнате получили дозы примерно 2100, 360, 250, 160, 110, 65, 47 и 37 бэр ».
  13. ^ Авария Y-12, связанная с ядерной критичностью, и повышенная безопасность в 1958 году. Архивировано 13 октября 2015 года в Wayback Machine.
  14. ^ Авария с критичностью на заводе Y-12. Архивировано 29 июня 2011 года в Wayback Machine . Диагностика и лечение острого лучевого поражения, 1961, Женева, Всемирная организация здравоохранения, стр. 27–48.
  15. ^ Маклафлин и др. стр. 96: «Дозы радиации были интенсивными и оценивались в 205, 320, 410, 415, 422 и 433 бэр . Из шести присутствовавших человек один умер вскоре после этого, а остальные пятеро выздоровели после тяжелых случаев лучевой болезни».
  16. ^ Джонстон, Wm. Роберт. «Авария реактора Винча, 1958 год». Архивировано из оригинала 27 января 2011 года . Проверено 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. ↑ Несчастный случай с критической ситуацией Сесила Келли. Архивировано 3 марта 2016 г. в Wayback Machine.
  19. ^ Стейси, Сьюзен М. (2000). «Глава 15: Инцидент с SL-1» (PDF) . Доказательство принципа: история Национальной инженерной и экологической лаборатории Айдахо, 1949–1999 гг . Министерство энергетики США , Операционный офис штата Айдахо. стр. 138–149. ISBN 978-0-16-059185-3. Архивировано (PDF) из оригинала 7 августа 2011 года . Проверено 8 сентября 2015 г.
  20. ^ Маклафлин и др. страницы 33–34
  21. ^ Джонстон, Wm. Роберт. «Авария на реке Вуд, 1964 год». Архивировано из оригинала 18 апреля 2017 года . Проверено 7 декабря 2016 г.
  22. ↑ Пауэлл, Деннис Э. (24 июля 2018 г.). «Ядерная катастрофа на перекрестке Вуд-Ривер». Новая Англия сегодня . Архивировано из оригинала 24 октября 2018 года . Проверено 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 на аргентинском критическом объекте» . Архивировано из оригинала 3 июня 2016 года . Проверено 7 декабря 2016 г.
  26. ^ «Худшие ядерные катастрофы». Время . 2012. Архивировано из оригинала 30 марта 2009 года . Проверено 25 февраля 2012 г.
  27. ^ Джонстон, Wm. Роберт. «Авария с критичностью Арзамас-16, 19». Архивировано из оригинала 19 апреля 2014 года . Проверено 8 июля 2013 г.
  28. ↑ Кудрик, Игорь (23 июня 1997 г.). «20 июня скончался исследователь Арзамаса-16». Архивировано из оригинала 4 июля 2009 года . Проверено 8 июля 2013 г.
  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 года . Проверено 25 июня 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  32. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 15 июля 2017 года . Проверено 25 июня 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  33. ^ Маклафлин и др. страницы 74-75
  34. ^ аб Маклафлин и др. страницы 81-82
  35. ^ «Реактор № 1 Фукусимы стал критическим?» Экоцентрический. Время . 30 марта 2011 года. Архивировано из оригинала 30 марта 2011 года . Проверено 1 апреля 2011 г.
  36. ^ Джонатан Тирон; Сатико Сакамаки; Юрий Хамбер (31 марта 2011 г.). «Работникам Фукусимы угрожают тепловые всплески; уровень морской радиации повышается». Архивировано из оригинала 1 апреля 2011 года.
  37. ^ Нейтронный луч наблюдался 13 раз на поврежденной атомной электростанции в Фукусиме . Эти «нейтронные пучки», как поясняется в популярных средствах массовой информации, не объясняют и не доказывают скачок критичности, как необходимый признак (комбинированное соотношение нейтронов и гамма-излучения примерно 1:3 не было подтверждено). Более правдоподобным объяснением является наличие нейтронов от продолжающегося деления в процессе распада. Крайне маловероятно, что на Фукусиме-3 произошла повторная критичность, поскольку рабочие рядом с реактором не подвергались воздействию высокой дозы нейтронов за очень короткое время (миллисекунды), а радиационные приборы станции могли бы зафиксировать любые «повторяющиеся всплески», характерные для атомной электростанции. продолжающаяся авария средней критичности. ТОКИО, 23 марта, Kyodo News https://web.archive.org/web/20110323214235/http://english.kyodonews.jp/news/2011/03/80539.html
  38. ^ Японское заводское топливо расплавилось на полпути через реакторы: отчет. Поскольку в непосредственной близости от реактора не было крупных выбросов радиации, а имеющиеся дозиметрические данные не указали на аномальную дозу нейтронов или соотношение доз нейтронов и гамма-излучения, нет никаких свидетельств аварии, связанной с критичностью на реакторе. Фукусима. Пятница, 15 апреля 2011 г. «NTI: Лента новостей глобальной безопасности - Топливо японских заводов расплавилось на пути через реакторы: отчет». Архивировано из оригинала 2 декабря 2011 года . Проверено 24 апреля 2011 г.
  39. ^ AB ЭД Клейтон. «Аномалии ядерной критичности» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 24 сентября 2015 г.
  40. ^ Мартин А. Умань (1984). Молния. Курьерская корпорация. п. 139. ИСБН 978-0-486-64575-9. Архивировано из оригинала 29 июля 2020 года . Проверено 17 августа 2017 г.
  41. ^ Тендлер, Ирвин И.; Хартфорд, Алан; Джермин, Майкл; ЛаРошель, Итан; Цао, Сюй; Борза, Виктор; Александр, Дэниел; Брюза, Петр; Хупс, Джек; Муди, Карен; Марр, Брайан П.; Уильямс, Бенджамин Б.; Пог, Брайан В.; Гладстон, Дэвид Дж.; Джарвис, Лесли А. (2020). «Экспериментально наблюдаемая черенковская светогенерация в глазу во время лучевой терапии». Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики . Эльзевир Б.В. 106 (2): 422–429. дои : 10.1016/j.ijrobp.2019.10.031 . ISSN  0360-3016. ПМК 7161418 . ПМИД  31669563. 
  42. ^ «Наука». Архивировано из оригинала 29 августа 2014 года . Проверено 7 декабря 2016 г.
  43. ^ Маклафлин и др. стр. 42: «оператор увидел вспышку света и почувствовал пульсацию тепла».
  44. ^ Маклафлин и др. стр. 88: «Была вспышка, шок, поток тепла ударил в наши лица».
  45. ^ Миннема, «Аварии с критичностью и голубое свечение», Зимнее собрание Американского ядерного общества, 2007 г.

Рекомендации

Внешние ссылки