Un accidente de criticidad es una reacción en cadena de fisión nuclear accidental e incontrolada . A veces se lo 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 fisible , por ejemplo, uranio enriquecido o plutonio . Los accidentes de criticidad pueden liberar dosis de radiación potencialmente fatales si ocurren en un entorno desprotegido .
En circunstancias normales, una reacción de fisión crítica o supercrítica (que se mantiene en potencia o aumenta de forma automática) solo debería producirse en 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 la misma reacción se produce de forma no intencionada, por ejemplo, en un entorno inseguro o durante el mantenimiento del reactor.
Aunque es peligrosa y frecuentemente letal para los seres humanos que se encuentran en el área inmediata, la masa crítica formada no sería capaz de producir una explosión nuclear masiva del tipo que las bombas de fisión están diseñadas para producir. 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 materiales cercanos) se expandan. En tales casos, la reacción en cadena puede asentarse en un estado estable de baja potencia o incluso puede 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 liberaciones de radiación, estas liberaciones son localizadas. No obstante, se han producido exposiciones fatales a la radiación en personas cercanas a estos eventos, lo que ha dado lugar a más de 20 muertes. En unos pocos accidentes de reactores y conjuntos de experimentos críticos, la energía liberada ha causado daños mecánicos importantes o explosiones de vapor . [1]
La criticidad se produce cuando se acumula suficiente material fisible (una masa crítica ) en un volumen pequeño de modo que cada fisión, en promedio, produce un neutrón que, a su vez, choca con otro átomo fisible 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 medio ambiente. Si la masa es supercrítica, el número de neutrones emitidos por unidad de tiempo excede los absorbidos o perdidos, lo que da como resultado una cascada de fisiones nucleares a un ritmo creciente.
La criticidad se puede lograr mediante el uso de uranio metálico o plutonio, soluciones líquidas o lodos en polvo. La reacción en cadena se ve influida por una serie de parámetros indicados por las reglas mnemotécnicas 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 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 realizar dichos cálculos y garantizar que se utilicen todas las medidas razonablemente practicables para prevenir accidentes de criticidad, tanto durante las operaciones normales planificadas como durante cualquier condición potencial de alteración del proceso que no se pueda descartar sobre la base de probabilidades insignificantes (accidentes razonablemente previsibles).
La formación de una masa crítica genera una reacción nuclear en cadena, que da lugar a una tasa exponencial de cambio de la población de neutrones en el espacio y el tiempo, lo que conduce a un aumento del flujo de neutrones . Este aumento del flujo y la tasa de fisión que conlleva produce una radiación que contiene un componente de neutrones y rayos gamma y es extremadamente peligrosa para cualquier forma de vida cercana que no esté protegida. 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 fisible.
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 filtrarse 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 unos 7, son neutrones retardados que se emiten desde los precursores de los productos 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 llama un dólar de reactividad . La vida útil 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 útil 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 a lo largo del tiempo. Los 993 neutrones rápidos restantes se liberan muy rápidamente, aproximadamente 1 μs después del evento de fisión.
En el funcionamiento en estado estacionario, los reactores nucleares funcionan en un punto crítico exacto. Cuando se añade 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), 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 tiempo de vida del neutrón inmediato. Por lo tanto, hay un aumento muy grande en la población de neutrones en un período de tiempo muy corto. Dado que cada evento de fisión contribuye aproximadamente con 200 MeV por fisión, esto da como resultado una explosión de energía muy grande llamada "pico crítico inmediato". Este pico puede detectarse fácilmente mediante instrumentación de dosimetría de radiación y detectores de "sistemas de alarma de accidentes por criticidad" que se implementan adecuadamente.
Los accidentes de criticidad se dividen en una de dos categorías:
Los tipos de excursión se pueden clasificar en cuatro categorías que representan la naturaleza de la evolución a lo largo del tiempo:
La excursión crítica inmediata se caracteriza por un historial de potencia con un pico crítico inmediato inicial, como se señaló 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 pico continuo o repetitivo (a veces conocido como "traqueteo") 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 siguió siendo crítico durante aproximadamente 20 horas, hasta que se apagó mediante una intervención activa. La excursión exponencial se caracteriza por una reactividad de menos de un dólar agregado, donde la población de neutrones aumenta como exponencial con el tiempo, hasta que los efectos de retroalimentación o la intervención reducen la reactividad. La excursión exponencial puede alcanzar un nivel de potencia pico, 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 al estado estacionario es también un estado en el que el calor generado por la fisión se equilibra con las pérdidas de calor al entorno ambiental. Esta excursión se ha caracterizado por el reactor natural Oklo que se produjo de forma natural dentro de los depósitos de uranio en Gabón , África, hace unos 1.700 millones de años.
Un informe de Los Alamos (McLaughlin et al. [1] ) registró 60 accidentes de criticidad entre 1945 y 1999. Estos causaron 21 muertes: siete en los Estados Unidos, diez en la Unión Soviética, dos en Japón, uno en Argentina y uno en Yugoslavia. Nueve se debieron a accidentes de proceso y los demás a accidentes en reactores de investigación. Los accidentes de criticidad se han producido en el contexto de la producción y prueba de material fisible 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 de 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 podrían haberse producido criticidades transitorias allí. [35] Al señalar que podrían producirse reacciones en cadena limitadas e incontroladas en Fukushima I, un portavoz del Organismo Internacional de Energía Atómica ( OIEA ) "enfatizó que los reactores nucleares no explotarán". [36] Para el 23 de marzo de 2011, ya se habían observado haces de neutrones 13 veces en la averiada central nuclear de Fukushima. Aunque no se creía que un accidente de criticidad fuera la causa de estos haces, estos podrían indicar que se está produciendo una fisión nuclear. [37] El 15 de abril, TEPCO informó de 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 fundido atravesara uno de los contenedores inferiores, lo que podría causar una liberación masiva de radiactividad. En cambio, se cree que el combustible fundido se dispersó uniformemente por las partes inferiores de los contenedores de los reactores n.° 1, n.° 2 y n.° 3, lo que hace que la reanudación del proceso de fisión, conocido como "recriticidad", sea muy poco probable. [38]
Se ha observado que muchos accidentes de criticidad emiten un destello de luz azul. [39]
El resplandor azul de un accidente de criticidad es el resultado 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 relámpagos , aparecen de color azul eléctrico . Los liquidadores de Chernóbil dijeron que el olor a ozono era un signo de alta radiactividad ambiental .
Este destello azul o "brillo azul" también se puede atribuir a la radiación de Cherenkov , si hay agua involucrada en el sistema crítico o cuando el destello azul es experimentado por el ojo humano. [39] Además, si la radiación ionizante atraviesa directamente el humor vítreo del ojo, se puede generar radiación de Cherenkov y percibirla como una sensación visual de brillo/chispa azul. [41]
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 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 de criticidad. [43] [44] 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 muerte inminente inevitable por una dosis de radiación fatal), o si es un efecto físico del calentamiento (o estimulación no térmica de los nervios sensores de calor en la piel) debido a la radiación emitida por el evento de criticidad.
Una revisión de todos los accidentes de criticidad con relatos de testigos oculares indica que las olas de calor solo se observaron cuando también se observó el resplandor azul fluorescente (la luz no Cherenkov , véase más arriba). Esto sugeriría una posible relación entre los dos, y de hecho, es posible identificar una. En el aire denso, más del 30% de las líneas de emisión del nitrógeno y el oxígeno están en el rango ultravioleta , y aproximadamente el 45% están en el rango infrarrojo . Solo alrededor del 25% están en el rango visible. Dado que la piel siente la luz (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 incoherente 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 pequeña cantidad de datos disponibles de los pocos casos en que los humanos han presenciado estos incidentes y han sobrevivido lo suficiente como para proporcionar un relato detallado de sus experiencias y observaciones.
![Conjunto de Lady Godiva en configuración 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 barras de soporte dañadas después de la excursión de febrero de 1954. Nótese 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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