Un accidente de criticidad es una reacción en cadena de fisión nuclear accidental y no controlada . A veces se la denomina excursión crítica , excursión de potencia crítica , reacción en cadena divergente o simplemente crítica . Cualquier evento de este tipo implica la acumulación o disposición involuntaria de una masa crítica de material fisionable , por ejemplo , uranio o plutonio enriquecido . Los accidentes de criticidad pueden liberar dosis de radiación potencialmente fatales si ocurren en un ambiente desprotegido .
En circunstancias normales, una reacción de fisión crítica o supercrítica (una que es autosostenida en potencia o aumenta en potencia) sólo debe ocurrir dentro de 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 se logra la misma reacción de forma involuntaria, por ejemplo en un entorno inseguro o durante el mantenimiento del reactor.
Aunque peligrosa y frecuentemente letal para los humanos dentro del área inmediata, la masa crítica formada no sería capaz de producir una explosión nuclear masiva del tipo para el que están diseñadas 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 hará que los materiales fisionables (y otros cercanos) se expandan. En tales casos, la reacción en cadena puede establecerse en un estado estable de baja potencia o incluso 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 emisiones de radiación, éstas son localizadas. No obstante, se han producido exposiciones fatales a la radiación de personas cercanas a estos eventos, lo que resultó en más de 20 muertes. En algunos accidentes de reactores y montajes de experimentos críticos, la energía liberada ha causado daños mecánicos importantes o explosiones de vapor . [1]
La criticidad ocurre cuando se acumula suficiente material fisionable (una masa crítica ) en un volumen pequeño de modo que cada fisión, en promedio, produce un neutrón que a su vez choca contra otro átomo fisionable provocando otra fisión; esto hace que la reacción en cadena se vuelva autosostenida 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 supera a los absorbidos o perdidos, lo que da lugar a una cascada de fisiones nucleares a un ritmo cada vez mayor.
La criticidad se puede lograr mediante el uso de uranio o plutonio metálico, soluciones líquidas o suspensiones de polvo. La reacción en cadena está influenciada por una variedad de parámetros señalados por las siglas MAGIC MERV (para masa, absorción, geometría, interacción, concentración, moderación, enriquecimiento, reflexión y volumen) [2] y SIRENAS (para masa, enriquecimiento, reflexión, moderación). , absorción, interacción, densidad y forma). [3] La temperatura también es un factor.
Se pueden realizar cálculos para determinar las condiciones necesarias para un estado crítico, 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 tomen todas las medidas razonablemente posibles. Las medidas se utilizan para prevenir accidentes de criticidad, tanto durante las operaciones normales planificadas como durante cualquier posible alteración del proceso que no se puede descartar sobre la base de probabilidades insignificantes (accidentes razonablemente previsibles).
El ensamblaje de una masa crítica establece una reacción nuclear en cadena, lo que resulta en una tasa de cambio exponencial en la población de neutrones en el espacio y el tiempo, lo que conduce a un aumento en el flujo de neutrones . Este aumento del flujo y la consiguiente tasa de fisión produce radiación que contiene un componente tanto de neutrones como de rayos gamma y es extremadamente peligrosa para cualquier forma de vida cercana y desprotegida. 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 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 más fisiones.
Por cada 1.000 neutrones liberados por la fisión, un pequeño número, normalmente no más de 7, son neutrones retardados que se emiten a partir de los precursores del producto de fisión, llamados emisores de neutrones retardados . Esta fracción de neutrones retardada, 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 segundos hasta casi 100 segundos después de la fisión. Los neutrones suelen clasificarse en 6 grupos de neutrones retardados. [4] La vida media de los neutrones considerando los neutrones retardados es de aproximadamente 0,1 segundos, lo que hace que la reacción en cadena sea relativamente fácil de controlar a lo largo del tiempo. Los 993 neutrones restantes se liberan muy rápidamente, aproximadamente 1 μs después del evento de fisión.
En funcionamiento en estado estacionario, los reactores nucleares funcionan con una criticidad exacta. Cuando se agrega 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), entonces 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 vida útil inmediata de los neutrones. Por tanto, se produce un gran aumento de la población de neutrones en un período de tiempo muy corto. Dado que cada evento de fisión aporta aproximadamente 200 MeV por fisión, esto da como resultado una explosión de energía muy grande como un "pico rápido crítico". Este pico puede detectarse fácilmente mediante instrumentos de dosimetría de radiación y detectores de "sistemas de alarma de accidentes críticos" que estén correctamente desplegados.
Los accidentes de criticidad se dividen en una de dos categorías:
Los tipos de excursiones se pueden clasificar en cuatro categorías que describen la naturaleza de la evolución a lo largo del tiempo:
La excursión rápida-crítica se caracteriza por una historia de potencia con un pico inicial rápido-crítico como se señaló anteriormente, que termina automáticamente 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 repetido (a veces conocido como "resoplido") después de la excursión crítica inmediata inicial. El accidente de proceso más largo de los 22 ocurrió en Hanford Works en 1962 y duró 37,5 horas. El accidente nuclear de Tokaimura en 1999 siguió siendo crítico durante unas 20 horas, hasta que fue cerrado mediante una intervención activa. La excursión exponencial se caracteriza por una reactividad de menos de un dólar agregado, 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 estable, donde el estado crítico se logra exactamente para una excursión de "estado estable".
La excursión en estado estacionario también 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 naturalmente dentro de depósitos de uranio en Gabón , África, hace unos 1.700 millones de años.
Un informe de Los Álamos (McLaughlin et al. [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 han debido a accidentes de proceso y los demás a accidentes de reactores de investigación. Se han producido accidentes de criticidad en el contexto de la producción y los ensayos de material fisionable tanto para armas nucleares como para reactores nucleares .
La siguiente tabla ofrece una selección de incidentes bien documentados, incluidos algunos no incluidos en el informe de McLaughlin et al.
![La esfera de plutonio rodeada por bloques de carburo de tungsteno que reflejan neutrones en una recreación del experimento de Harry Daghlian de 1945[33]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/13/Partially-reflected-plutonium-sphere.jpeg/1280px-Partially-reflected-plutonium-sphere.jpeg)
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 allí pueden haber ocurrido criticidades transitorias. [35] Observando que podrían ocurrir reacciones en cadena limitadas e incontroladas en Fukushima I, un portavoz de la Agencia Internacional de Energía Atómica ( OIEA ) "enfatizó que los reactores nucleares no explotarán". [36] Hasta el 23 de marzo de 2011, ya se habían observado rayos de neutrones 13 veces en la averiada central nuclear de Fukushima. Si bien no se creía que un accidente de criticidad explicara estos haces, los haces podrían indicar que se está produciendo una fisión nuclear. [37] El 15 de abril, TEPCO informó 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 derretido rompiera uno de los contenedores inferiores, lo que podría provocar una liberación masiva de radiactividad. En cambio, se cree que el combustible fundido se dispersó uniformemente en las partes inferiores de los contenedores de los reactores 1, 2 y 3, lo que hace que la reanudación del proceso de fisión, conocido como "recriticidad", sea muy improbable. [38]
Se ha observado que muchos accidentes criticos emiten un destello de luz azul. [39]
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. [40] 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 Chernobyl dijeron que el olor a ozono era un signo de alta radiactividad ambiental .
Este destello azul o "resplandor azul" también se puede atribuir a la radiación de Cherenkov , si hay agua involucrada en el sistema crítico o cuando el ojo humano experimenta el destello azul. [39] Además, si la radiación ionizante atraviesa directamente el humor vítreo del ojo, la radiación de Cherenkov puede generarse y percibirse como una sensación visual de brillo/chispa azul. [41]
Es una coincidencia que el color de la luz de Cherenkov y la luz emitida por el aire ionizado sean de un azul muy similar; sus métodos de producción son diferentes. La radiación de Cherenkov se produce en el aire para las 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 crítico. [43] [44] No se sabe si esto puede ser una reacción psicosomática al darse cuenta de lo que acaba de ocurrir (es decir, la alta probabilidad de una muerte inminente e inevitable debido a 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 de criticidad.
Una revisión de todos los accidentes críticos con relatos de testigos presenciales indica que las olas de calor sólo se observaron cuando también se observó el brillo azul fluorescente (la luz que no es de Cherenkov , ver arriba). Esto sugeriría una posible relación entre los dos y, de hecho, potencialmente se puede identificar una. En aire denso, más del 30% de las líneas de emisión de nitrógeno y oxígeno se encuentran en el rango ultravioleta y aproximadamente el 45% en el rango infrarrojo . Sólo alrededor del 25% se encuentran en el rango visible. Dado que la piel se siente ligera (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 inconsistente con la intensidad de la luz informada por los testigos en comparación con la intensidad del calor percibido. La investigación futura se ve obstaculizada por la pequeña cantidad de datos disponibles de los pocos casos en los que los humanos han sido testigos de estos incidentes y han sobrevivido el tiempo suficiente para proporcionar un relato detallado de sus experiencias y observaciones.
![Conjunto de Lady Godiva en la configuración revuelta (segura)[34]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2a/Godiva-before-scrammed.jpg/1280px-Godiva-before-scrammed.jpg)
![Conjunto de Lady Godiva, con varillas de soporte dañadas después de la excursión de febrero de 1954. Tenga en cuenta que las imágenes son de diferentes conjuntos.[34]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2a/Godiva-after-scrammed.jpg/1280px-Godiva-after-scrammed.jpg)
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