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accidente crítico

Un accidente de criticidad es una reacción en cadena de fisión nuclear accidental e incontrolada . A veces se le denomina excursión crítica , excursión de potencia crítica , rea...

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Un accidente de criticidad es una reacción en cadena de fisión nuclear accidental e incontrolada . A veces se le 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 fisionable , por ejemplo, uranio o plutonio enriquecidos . Los accidentes de criticidad pueden liberar dosis de radiación potencialmente mortales si ocurren en un entorno no protegido .

En circunstancias normales, una reacción de fisión crítica o supercrítica (una que se mantiene en potencia o aumenta progresivamente) solo debería producirse en un lugar protegido, como el núcleo de un reactor o un entorno de prueba adecuado. Un accidente de criticidad se produce si la misma reacción se alcanza de forma involuntaria, por ejemplo, en un entorno inseguro o durante el mantenimiento del reactor.

Aunque peligrosa y frecuentemente letal para los humanos en las inmediaciones, la masa crítica formada no sería capaz de producir una explosión nuclear masiva como la que generan las bombas de fisión . 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 provocará la expansión de los materiales fisionables (y otros cercanos). En tales casos, la reacción en cadena puede estabilizarse en un estado estacionario de baja potencia o incluso detenerse temporal o permanentemente (subcrítica).

En la historia del desarrollo de la energía atómica , se han producido al menos 60 accidentes de criticidad, incluyendo 22 en entornos de proceso, fuera de los núcleos de reactores nucleares o conjuntos experimentales, y 38 en pequeños reactores experimentales y otros conjuntos de prueba. Si bien los accidentes de proceso que ocurren fuera de los reactores se caracterizan por grandes liberaciones de radiación, estas son localizadas. No obstante, se han producido exposiciones fatales a la radiación en personas cercanas a estos eventos, resultando en más de 20 muertes. En algunos accidentes de reactores y conjuntos experimentales críticos, la energía liberada ha causado daños mecánicos significativos o explosiones de vapor . [ 1 ]

Base física

La criticidad se produce cuando se acumula suficiente material fisionable (una masa crítica ) en un volumen pequeño, de manera que cada fisión, en promedio, produce un neutrón que, a su vez, impacta otro átomo fisionable 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 entorno. Si la masa es supercrítica, el número de neutrones emitidos por unidad de tiempo supera a los absorbidos o perdidos, lo que da lugar a una cascada de fisiones nucleares a un ritmo creciente.

La criticidad se puede lograr utilizando uranio o plutonio metálico, soluciones líquidas o suspensiones de polvo. La reacción en cadena está influenciada por una serie de parámetros representados por las mnemotecnias 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 que influye 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 llevar a cabo dichos cálculos y garantizar que se utilicen todas las medidas razonablemente practicables para prevenir accidentes de criticidad, tanto durante las operaciones normales planificadas como ante cualquier posible alteración del proceso que no pueda descartarse por considerarla una probabilidad insignificante (accidentes razonablemente previsibles).

La acumulación de una masa crítica desencadena una reacción nuclear en cadena, lo que resulta en un aumento exponencial de la población de neutrones en el espacio y el tiempo, provocando un incremento en el flujo de neutrones . Este aumento del flujo y la consiguiente tasa de fisión generan radiación que contiene componentes de neutrones y rayos gamma , y ​​que resulta extremadamente peligrosa para cualquier forma de vida cercana sin protección. La tasa de cambio de la población de neutrones depende del tiempo de generación de neutrones , que es característico de dicha población, del estado de criticidad y del medio fisionable.

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 escaparse del sistema o ser absorbidos sin causar fisiones adicionales.

Por cada 1000 neutrones liberados por fisión, una pequeña cantidad, generalmente no más de 7, son neutrones retardados que se emiten desde los precursores del producto 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 denomina un dólar de reactividad . La vida media de los neutrones retardados varía desde fracciones de segundo hasta casi 100 segundos después de la fisión. Los neutrones se clasifican generalmente en 6 grupos de neutrones retardados. [ 4 ] La vida media 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 en el tiempo. Los 993 neutrones instantáneos  restantes se liberan muy rápidamente, aproximadamente 1 μs después del evento de fisión.

En operación en estado estacionario, los reactores nucleares operan en criticidad exacta. Cuando se añade al menos un dólar de reactividad por encima del punto crítico exacto (donde la tasa de producción de neutrones se equilibra con la tasa de pérdidas de neutrones, tanto por absorción como por fugas), la reacción en cadena no depende de neutrones retardados. En tales casos, la población de neutrones puede aumentar rápidamente de forma exponencial, con una constante de tiempo muy pequeña, conocida como tiempo de vida del neutrón rápido. Por lo tanto, se produce un aumento muy grande en la población de neutrones en un lapso de tiempo muy corto. Dado que cada evento de fisión contribuye con aproximadamente 200 MeV por fisión, esto resulta en una gran explosión de energía como un "pico crítico rápido". Este pico puede detectarse fácilmente mediante instrumentación de dosimetría de radiación y detectores de "sistema de alarma de accidentes de criticidad" correctamente instalados.

Tipos de accidentes

Los accidentes críticos se dividen en dos categorías:

  • Accidentes de proceso , en los que se incumplen los controles establecidos para prevenir cualquier criticidad;
  • Accidentes de reactores , que ocurren debido a errores del operador u otros eventos no intencionados (por ejemplo, durante el mantenimiento o la carga de combustible) en lugares destinados a alcanzar o acercarse a la criticidad, como centrales nucleares , reactores nucleares y experimentos nucleares. [ 1 ] El desastre de Chernóbil fue de hecho un accidente de criticidad de enorme potencia, pero normalmente se clasifica dentro de los accidentes de fusión nuclear , porque fue una central eléctrica cuyo núcleo se fundió por completo después de la excursión de criticidad.

Los tipos de excursiones se pueden clasificar en cuatro categorías que describen la naturaleza de su evolución a lo largo del tiempo:

  1. Excursión de criticidad inmediata
  2. excursión de criticidad transitoria
  3. Excursión exponencial
  4. Excursión en estado estacionario

La excursión crítica inmediata se caracteriza por un historial de potencia con un pico crítico inmediato inicial, como se indicó 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 picos continuo o repetitivo (a veces conocido como "chorro") 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 se mantuvo crítico durante aproximadamente 20 horas, hasta que fue apagado por intervención activa. La excursión exponencial se caracteriza por una reactividad de menos de un dólar añadido, donde la población de neutrones aumenta exponencialmente con el tiempo, hasta que los efectos de retroalimentación o la intervención reducen la reactividad. La excursión exponencial puede alcanzar un nivel de potencia máximo, luego disminuir con el tiempo, o alcanzar un nivel de potencia de estado estacionario, donde el estado crítico se alcanza exactamente para una excursión de "estado estacionario".

La excursión en estado estacionario es un estado en el que el calor generado por la fisión se equilibra con las pérdidas de calor al ambiente. Esta excursión se ha caracterizado por el reactor natural de Oklo , que se produjo de forma natural en los depósitos de uranio de Gabón , África , hace aproximadamente 1700 millones de años. 

Accidentes conocidos

Según estimaciones recientes, entre 1945 y 1999 se registraron 67 accidentes de criticidad en todo el mundo, sin que se haya confirmado ninguno desde entonces. Estos accidentes ocurrieron durante la experimentación y la producción de núcleos de armas nucleares , reactores de investigación , reactores comerciales y reactores navales .

Un informe de Los Alamos de 2000 [ 1 ] registró 60 accidentes de criticidad entre 1945 y 1999. Estos causaron 21 muertes: siete en Estados Unidos, diez en la Unión Soviética, dos en Japón, una en Argentina y una en Yugoslavia. Nueve se debieron a accidentes de proceso y los demás a accidentes en el reactor y en experimentos críticos.

Los Alamos también agrupó los accidentes de reactores y experimentos críticos por material: cinco en soluciones fisionables, 15 en sistemas de metal desnudo y reflejado, 13 en sistemas de metal moderado y óxido, y cinco en sistemas diversos.

Un informe de la Universidad de Nevada de 2014 identificó otros siete accidentes de criticidad anteriores al año 2000 que no se incluyeron en el informe de Los Alamos. Cinco ocurrieron durante el mantenimiento y la recarga de combustible de reactores de submarinos nucleares soviéticos, y dos ocurrieron en reactores comerciales japoneses durante las pruebas y se mantuvieron encubiertos hasta 2007. [ 5 ]

La tabla que aparece a continuación ofrece una selección de incidentes bien documentados.

Accidentes sospechosos desde 1999

A partir de junio de 2024 , no ha habido accidentes de criticidad confirmados desde el accidente nuclear de Tokaimura de 1999. [ 39 ] Se han sospechado criticidades involucradas en el accidente nuclear de Fukushima de 2011 y el accidente de radiación de Nyonoksa de 2019 .

Además, el Departamento de Estado de EE. UU. alegó en 2020 que Rusia y posiblemente China, desde 1996 hasta 2019, llevaron a cabo experimentos subterráneos secretos que involucraban supercriticidad y, por lo tanto, una violación del estándar de rendimiento cero, el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares y posiblemente el Tratado de Prohibición de Ensayos Nucleares por Umbral . [ 40 ] Dichos experimentos podrían haber provocado accidentes similares al de Nyonoksa.

Efectos observados

Imagen de un ciclotrón de 60 pulgadas , de alrededor de 1939, que muestra un haz externo de iones acelerados (posiblemente protones o deuterones ) ionizando el aire circundante y provocando un brillo de aire ionizado . Debido al mecanismo de producción similar, se cree que el brillo azul se asemeja al "destello azul" observado por Harry Daghlian y otros testigos de accidentes de criticidad.

brillo azul

Se ha observado que muchos accidentes de criticidad emiten un destello de luz azul. [ 50 ]

El brillo azul de un accidente de criticidad resulta de la fluorescencia de los iones, átomos y moléculas excitados del medio circundante que vuelven a estados no excitados. [ 51 ] Esta es también la razón por la que las chispas eléctricas en el aire, incluidos los rayos , aparecen de color azul eléctrico . Los liquidadores de Chernóbil afirmaban que el olor a ozono era un signo de alta radiactividad ambiental .

Este destello azul o "resplandor azul" también puede atribuirse a la radiación Cherenkov , si el agua está involucrada en el sistema crítico o cuando el ojo humano experimenta el destello azul. [ 50 ] 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. [ 52 ]

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 cascadas de partículas de los rayos cósmicos ) [ 53 ] , pero no para las partículas cargadas de menor energía emitidas por la desintegración nuclear.

Efectos del calor

Algunas personas informaron haber sentido una "ola de calor" durante un evento crítico. [ 54 ] [ 55 ] 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 una muerte inminente e inevitable por una dosis de radiación fatal), o si es un efecto físico del calentamiento (o estimulación no térmica de los nervios sensibles al calor en la piel) debido a la radiación emitida por el evento crítico.

Una revisión de todos los accidentes de criticidad con testimonios de testigos presenciales indica que las ondas de calor solo se observaron cuando también se observó el brillo azul fluorescente (la luz no Cherenkov , véase más arriba). Esto sugeriría una posible relación entre ambos, y de hecho, se puede identificar una. En aire denso, más del 30 % de las líneas de emisión del nitrógeno y el oxígeno se encuentran en el rango ultravioleta , y alrededor del 45 % en el rango infrarrojo . Solo alrededor del 25 % se encuentran en el rango visible. Dado que la piel percibe la luz (visible o no) a través del calentamiento de su superficie, es posible que este fenómeno explique la percepción de las ondas de calor. [ 56 ] Sin embargo, esta explicación no se ha confirmado y puede ser inconsistente 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 escasa cantidad de datos disponibles de los pocos casos en los que los humanos han presenciado estos incidentes y han sobrevivido el tiempo suficiente para proporcionar un relato detallado de sus experiencias y observaciones.

Véase también

Notas

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  4. 1 2 Lewis, Elmer E. (2008). Fundamentos de la física de reactores nucleares . Elsevier. pág. 123. ISBN  978-0-08-056043-4Archivado del original el 20 de febrero de 2018. Consultado el 4 de junio de 2016 .
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  7. ↑ McLaughlin et al. página 93, "En esta excursión, tres personas recibieron dosis de radiación de 66, 66 y 7,4 rep .", Apéndice A de LA: "rep: Un término obsoleto para la dosis absorbida en el tejido humano, reemplazado por rad . Originalmente derivado de roentgen equivalente, físico."
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  12. ↑ "El destello azul" . Datos restringidos: El blog sobre el secreto nuclear . Archivado del original el 24 de mayo de 2016. Consultado el 29 de junio de 2016 .
  13. ↑ Informe desclasificado archivado el 13 de agosto de 2012 en Wayback Machine . Consulte la página 23 para conocer las dimensiones de la esfera de berilio controlada manualmente.
  14. ↑ McLaughlin et al. páginas 74–76, "Las ocho personas en la habitación recibieron dosis de aproximadamente 2100, 360, 250, 160, 110, 65, 47 y 37 rem ."
  15. ↑ Diana Preston Antes de las consecuencias: De Marie Curie a Hiroshima – Transworld – 2005 – ISBN 0-385-60438-6pág. 278
  16. ↑ McLaughlin et al. páginas 78, 80–83
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  19. ↑ McLaughlin et al. página 96, "Las dosis de radiación fueron intensas, estimándose en 205, 320, 410, 415, 422 y 433 rem . De las seis personas presentes, una falleció poco después y las otras cinco se recuperaron tras sufrir casos graves de síndrome de irradiación aguda."
  20. ↑ Johnston, Wm. Robert. "Accidente del reactor Vinca, 1958" . Archivado del original el 27 de enero de 2011. Recuperado el 2 de enero de 2011 .
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  43. ↑ Se observó un haz de neutrones 13 veces en la central nuclear de Fukushima, dañada por el accidente . Estos "haces de neutrones", como se explica en los medios de comunicación, no explican ni prueban una excursión de criticidad, ya que no se confirmó la señal requerida (una relación combinada de neutrones/gamma de aproximadamente 1:3). Una explicación más creíble es la presencia de neutrones provenientes de fisiones continuas del proceso de desintegración. Es muy improbable que se haya producido una recriticidad en Fukushima 3, ya que los trabajadores cercanos al reactor no estuvieron expuestos a una dosis alta de neutrones en un tiempo muy corto (milisegundos), y los instrumentos de radiación de la planta habrían detectado cualquier "pico repetitivo" característico de un accidente de criticidad moderada continua. TOKIO, 23 de marzo, Kyodo News https://web.archive.org/web/20110323214235/http://english.kyodonews.jp/news/2011/03/80539.html
  44. ↑ El combustible de la central nuclear japonesa se fundió parcialmente en los reactores: Informe Debido a que no hubo una gran liberación de radiación en las proximidades del reactor, y la dosimetría disponible no indicó una dosis de neutrones anormal o una relación de dosis de neutrones/gamma, no hay evidencia de un accidente de criticidad en Fukushima. Viernes, 15 de abril de 2011 "NTI: Global Security Newswire - El combustible de la central nuclear japonesa se fundió parcialmente en los reactores: Informe" . Archivado del original el 2 de diciembre de 2011. Recuperado el 24 de abril de 2011 .
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  54. ↑ McLaughlin et al. página 42, "el operador vio un destello de luz y sintió un pulso de calor".
  55. ↑ McLaughlin et al. página 88, "Hubo un destello, una descarga, una corriente de calor en nuestros rostros."
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Referencias

  • Johnston, Wm. Robert. Lista de accidentes por radiación.
  • McLaughlin et al. «Análisis de accidentes críticos» del Laboratorio Nacional de Los Alamos (Informe LA-13638), mayo de 2000. El informe abarca Estados Unidos, Rusia, Reino Unido y Japón. También disponible en esta página , que intenta localizar los documentos citados en el informe.
  • Comunicado de prensa sobre un informe del Laboratorio Nacional de Los Alamos acerca de los accidentes de criticidad.
  • Informe estadounidense de 1971 sobre accidentes de criticidad hasta la fecha