Acidente de gravidade - Criticality accident

Um acidente de criticidade é uma reação em cadeia de fissão nuclear não controlada acidental . Às vezes é chamado de excursão crítica , excursão crítica de potência ou reação em cadeia divergente . Qualquer um desses eventos envolve o acúmulo ou arranjo não intencional de uma massa crítica de material físsil , por exemplo, urânio enriquecido ou plutônio . Os acidentes de gravidade podem liberar doses de radiação potencialmente fatais, se ocorrerem em um ambiente desprotegido .

Em circunstâncias normais, uma reação de fissão crítica ou supercrítica (uma que é autossustentável em potência ou aumentando em potência) só deve ocorrer dentro de um local protegido com segurança, como um núcleo de reator ou um ambiente de teste adequado. Um acidente de criticidade ocorre se a mesma reação for obtida involuntariamente, por exemplo, em um ambiente inseguro ou durante a manutenção do reator.

Embora perigosa e freqüentemente letal para os humanos na área imediata, a massa crítica formada não seria capaz de produzir uma explosão nuclear massiva do tipo que as bombas de fissão são projetadas para produzir. Isso ocorre porque todos os recursos de design necessários para fazer uma ogiva nuclear não podem surgir por acaso. Em alguns casos, o calor liberado pela reação em cadeia fará com que os materiais físseis (e outros próximos) se expandam. Nesses casos, a reação em cadeia pode se estabelecer em um estado estável de baixa potência ou pode até mesmo se tornar temporária ou permanentemente desligada (subcrítica).

Na história do desenvolvimento da energia atômica , pelo menos 60 acidentes de criticidade ocorreram, incluindo 22 em ambientes de processo, fora de núcleos de reatores nucleares ou montagens experimentais e 38 em pequenos reatores experimentais e outras montagens de teste. Embora os acidentes de processo que ocorrem fora dos reatores sejam caracterizados por grandes liberações de radiação, as liberações são localizadas. No entanto, exposições fatais à radiação ocorreram em pessoas próximas a esses eventos, resultando em 14 mortes. Em alguns acidentes com reatores e montagens de experimentos críticos, a energia liberada causou danos mecânicos significativos ou explosões de vapor .

Base física

A criticidade ocorre quando um material físsil suficiente (uma massa crítica ) se acumula em um pequeno volume, de modo que cada fissão, em média, produz um nêutron que, por sua vez, atinge outro átomo físsil, causando outra fissão; isso faz com que a reação em cadeia se torne autossustentável dentro da massa de material. Em outras palavras, o número de nêutrons emitidos, ao longo do tempo, excede o número de nêutrons capturados por outro núcleo ou perdidos para o meio ambiente, resultando em uma cascata de fissões nucleares crescentes.

A criticidade pode ser alcançada usando urânio metálico ou plutônio, soluções líquidas ou pastas em pó. A reação em cadeia é influenciada pela gama de parâmetros observados pelas siglas MAGIC MERV (para Massa, Absorção, Geometria, Interação, Concentração, Moderação, Enriquecimento, Reflexão e Volume) e SERMAIDS (para Massa, Enriquecimento, Reflexão, Moderação, Absorção, Interação, densidade e forma). A temperatura também é um fator.

Os cálculos podem ser realizados para determinar as condições necessárias para um estado crítico, massa, geometria, concentração, etc. Onde os materiais físseis são manuseados em instalações civis e militares, pessoal especialmente treinado é empregado para realizar tais cálculos e para garantir que tudo seja razoavelmente praticável medidas são usadas para prevenir acidentes de gravidade, durante as operações normais planejadas e quaisquer condições potenciais de perturbação do processo que não podem ser descartadas com base em probabilidades insignificantes (acidentes razoavelmente previsíveis).

A montagem de uma massa crítica estabelece uma reação em cadeia nuclear, resultando em uma taxa exponencial de mudança na população de nêutrons no espaço e no tempo, levando a um aumento no fluxo de nêutrons . Este fluxo aumentado e a taxa de fissão associada produzem radiação que contém um componente de nêutrons e raios gama e é extremamente perigoso para qualquer forma de vida próxima desprotegida. A taxa de mudança da população de nêutrons depende do tempo de geração de nêutrons , que é característico da população de nêutrons, do estado de "criticidade" e do meio físsil.

Uma fissão nuclear cria, em média, aproximadamente 2,5 nêutrons por evento de fissão. Portanto, para manter uma reação em cadeia estável e exatamente crítica, 1,5 nêutrons por evento de fissão deve vazar do sistema ou ser absorvido sem causar mais fissões.

Para cada 1.000 nêutrons liberados pela fissão, um pequeno número, normalmente não mais do que cerca de 7, são nêutrons retardados que são emitidos pelos precursores do produto da fissão, chamados de emissores retardados de nêutrons . Essa fração retardada de nêutrons, da ordem de 0,007 para o urânio, é crucial para o controle da reação em cadeia de nêutrons em reatores . É chamado de um dólar de reatividade . A vida útil dos nêutrons atrasados ​​varia de frações de segundos a quase 100 segundos após a fissão. Os nêutrons são geralmente classificados em 6 grupos de nêutrons atrasados. A vida útil média dos nêutrons considerando nêutrons atrasados ​​é de aproximadamente 0,1 seg, o que torna a reação em cadeia relativamente fácil de controlar ao longo do tempo. Os 993 nêutrons restantes são liberados muito rapidamente, aproximadamente 1 μs após o evento de fissão.

Na operação em estado estacionário, os reatores nucleares operam na criticidade exata. Quando pelo menos um dólar de reatividade é adicionado acima do ponto crítico exato (onde a taxa de produção de nêutrons equilibra a taxa de perdas de nêutrons, tanto de absorção quanto de vazamento), a reação em cadeia não depende de nêutrons atrasados. Nesses casos, a população de nêutrons pode aumentar rapidamente de forma exponencial, com uma constante de tempo muito pequena, conhecida como vida útil imediata do nêutron. Portanto, há um aumento muito grande na população de nêutrons em um período de tempo muito curto. Uma vez que cada evento de fissão contribui com aproximadamente 200 MeV por fissão, isso resulta em uma explosão de energia muito grande como um "pico crítico imediato". Este pico pode ser facilmente detectado por instrumentação de dosimetria de radiação e detectores de "sistema de alarme de acidente de criticidade" que estão devidamente implantados.

Tipos de acidentes

Os acidentes de gravidade são divididos em uma de duas categorias:

  • Acidentes de processo , onde os controles em vigor para evitar qualquer criticidade são violados;
  • Acidentes do reactor , que ocorrem devido a erros do operador ou outros eventos não desejadas (por exemplo, durante a manutenção ou de carga de combustível) em locais destinados a atingir ou criticalidade abordagem, tais como centrais nucleares , reactores nucleares , e as experiências nucleares.

Os tipos de excursão podem ser classificados em quatro categorias que descrevem a natureza da evolução ao longo do tempo:

  1. Excursão de criticidade rápida
  2. Excursão de criticidade transitória
  3. Excursão exponencial
  4. Excursão de estado estacionário

A excursão pronto-crítico é caracterizada por um histórico de potência com um pico inicial pronto-crítico, conforme observado anteriormente, que se autotermina ou continua com uma região da cauda que diminui ao longo de um período prolongado de tempo. A excursão crítica transitória é caracterizada por um padrão de pico contínuo ou repetido (às vezes conhecido como "chugging") após a excursão crítica imediata inicial. O mais longo dos 22 acidentes de processo ocorreu na Hanford Works em 1962 e durou 37,5 horas. O acidente nuclear de Tokaimura em 1999 permaneceu crítico por cerca de 20 horas, até que foi encerrado por intervenção ativa. A excursão exponencial é caracterizada por uma reatividade de menos de um dólar adicionado, onde a população de nêutrons aumenta exponencialmente ao longo do tempo, até que os efeitos de feedback ou intervenção reduzam a reatividade. A excursão exponencial pode atingir um nível de potência de pico e, em seguida, diminuir com o tempo, ou atingir um nível de potência de estado estacionário, onde o estado crítico é exatamente alcançado para uma excursão de "estado estacionário".

A excursão de estado estacionário também é um estado em que o calor gerado pela fissão é equilibrado pelas perdas de calor para o meio ambiente. Esta excursão foi caracterizada pelo reator natural de Oklo que foi produzido naturalmente em depósitos de urânio no Gabão , na África, cerca de 1,7 bilhões de anos atrás.

Incidentes conhecidos

Pelo menos 60 acidentes de gravidade foram registrados desde 1945. Eles causaram pelo menos 21 mortes: sete nos Estados Unidos, dez na União Soviética, dois no Japão, um na Argentina e um na Iugoslávia. Nove foram devido a acidentes de processo e os outros a acidentes com reatores de pesquisa.

Acidentes graves ocorreram no contexto da produção e teste de material físsil para armas nucleares e reatores nucleares .

Encontro Localização Descrição Lesões Fatalidades Refs
1944 Los Alamos Otto Frisch recebeu uma dose de radiação maior do que a pretendida ao se inclinar sobre o dispositivo Lady Godiva original por alguns segundos. Ele notou que as lâmpadas vermelhas (que normalmente piscariam intermitentemente quando os nêutrons estavam sendo emitidos) estavam 'brilhando continuamente'. O corpo de Frisch refletiu alguns nêutrons de volta para o dispositivo, aumentando sua multiplicação de nêutrons, e foi apenas inclinando-se rapidamente para trás e para longe do dispositivo e removendo alguns blocos de urânio que Frisch escapou do perigo. Depois, ele disse: "Se eu tivesse hesitado por mais dois segundos antes de remover o material ... a dose teria sido fatal". Em 3 de fevereiro de 1954 e 12 de fevereiro de 1957, ocorreram excursões acidentais de criticalidade, causando danos ao dispositivo, mas felizmente apenas exposições insignificantes ao pessoal. Este dispositivo Godiva original foi irreparável após o segundo acidente e foi substituído pelo Godiva II . 0 0
4 de junho de 1945 Los Alamos O cientista John Bistline estava conduzindo um experimento para determinar o efeito de cercar uma massa subcrítica de urânio enriquecido com um refletor de água. O experimento tornou-se inesperadamente crítico quando a água vazou para a caixa de polietileno que continha o metal. Quando isso aconteceu, a água começou a funcionar como um moderador altamente eficaz, em vez de apenas um refletor de nêutrons. Três pessoas receberam doses não fatais de radiação. 3 0
21 de agosto de 1945 Los Alamos O cientista Harry Daghlian sofreu envenenamento por radiação fatal e morreu 25 dias depois, após deixar cair acidentalmente um tijolo de carboneto de tungstênio em uma esfera de plutônio, que foi posteriormente (veja a próxima entrada) apelidada de núcleo do demônio . O tijolo atuou como um refletor de nêutrons , levando a massa à criticidade. Este foi o primeiro acidente de gravidade conhecido causando uma fatalidade. 0 1
21 de maio de 1946 Los Alamos O cientista Louis Slotin acidentalmente irradiou-se durante um incidente semelhante (chamado de "acidente Pajarito" na época) usando a mesma esfera de plutônio "núcleo demoníaco" responsável pelo acidente de Daghlian. Slotin circundou a esfera de plutônio com duas taças hemisféricas de 9 polegadas de diâmetro de berílio, material refletor de nêutrons ; um acima e um abaixo. Ele estava usando uma chave de fenda para manter os copos ligeiramente separados e a montagem subcrítica. Quando a chave de fenda escorregou acidentalmente, os copos se fecharam em torno do plutônio, deixando a montagem supercrítica. Slotin desmontou rapidamente o dispositivo, provavelmente salvando a vida de outras sete pessoas nas proximidades; Slotin morreu de envenenamento por radiação nove dias depois. O núcleo do demônio foi derretido e reutilizado em outros testes de bomba nos anos subsequentes. 8 1
31 de outubro de 1956 Laboratório Nacional de Idaho O protótipo do reator de propulsão a jato nuclear HTRE-3 sofreu uma "excursão de energia" - um acidente que resultou em um derretimento parcial, danificando todas as barras de combustível do reator. Isso aconteceu durante o que deveria ser uma operação de baixa potência para observar as taxas de aquecimento dos componentes do reator, com o único resfriamento fornecido ao reator vindo de um par de sopradores elétricos. O acidente foi atribuído a sensores mal configurados, não ao design. Esses sensores deram uma leitura de potência incorreta, fazendo com que as hastes de controle fossem extraídas muito longe. Nenhum ferimento foi relatado. 0 0
16 de junho de 1958 Incidente Y-12 em Oak Ridge, Tennessee O primeiro registro de criticalidade relacionada ao processamento de urânio ocorreu na planta Y-12. Durante um teste de vazamento de rotina, uma solução físsil foi inadvertidamente permitida se coletar em um tambor de 55 galões. A excursão durou aproximadamente 20 minutos e resultou em oito trabalhadores recebendo exposição significativa. Não houve fatalidades, embora cinco tenham sido hospitalizados por 44 dias. Todos os oito trabalhadores finalmente voltaram ao trabalho. 8 0
15 de outubro de 1958 Instituto Nuclear Vinča Uma excursão de criticidade ocorreu no reator de água pesada RB no Instituto Nuclear Vinca em Vinča , Iugoslávia, matando uma pessoa e ferindo cinco. Os sobreviventes iniciais receberam o primeiro transplante de medula óssea na Europa. 5 1
30 de dezembro de 1958 Los Alamos Cecil Kelley , um operador químico que trabalhava na purificação do plutônio, ligou um agitador em um grande tanque de mistura, que criou um vórtice no tanque. O plutônio, dissolvido em um solvente orgânico, fluía para o centro do vórtice. Devido a um erro de procedimento, a mistura continha 3,27 kg de plutônio, que atingiu criticidade por cerca de 200 microssegundos. Kelley recebeu 3.900 a 4.900 rad (36.385 a 45.715 Sv ) de acordo com estimativas posteriores. Os outros operadores relataram ter visto um flash de luz e encontraram Kelley do lado de fora, dizendo "Estou queimando! Estou queimando!" Ele morreu 35 horas depois. 0 1
3 de janeiro de 1961 SL-1 , 40 milhas (64 km) a oeste de Idaho Falls SL-1 , um reator de energia nuclear experimental do Exército dos Estados Unidos, sofreu uma explosão a vapor e desmontagem do núcleo devido à retirada indevida da haste de controle central, matando seus três operadores. 0 3
24 de julho de 1964 Wood River Junction A instalação em Richmond, Rhode Island, foi projetada para recuperar o urânio do material de sucata que sobrou da produção do elemento combustível. O técnico Robert Peabody, pretendendo adicionar tricloroeteno a um tanque contendo urânio-235 e carbonato de sódio para remover orgânicos, adicionou solução de urânio, produzindo uma excursão de criticidade. O operador foi exposto a uma dose de radiação fatal de 10.000 rad (100 Gy ). Noventa minutos depois, uma segunda excursão aconteceu quando o gerente da fábrica voltou ao prédio e desligou o agitador, expondo ele e outro administrador a doses de até 100 rad (1 Gy) sem efeitos prejudiciais. O operador envolvido na exposição inicial morreu 49 horas após o incidente. 0 1
10 de dezembro de 1968 Mayak O centro de processamento de combustível nuclear na Rússia central estava experimentando técnicas de purificação de plutônio usando diferentes solventes para extração por solvente . Alguns desses solventes transportados para um tanque que não se destinava a contê-los e excederam o limite de segurança físsil desse tanque. Contra o procedimento, um supervisor de turno ordenou que dois operadores reduzissem o estoque do tanque e removessem o solvente para outro navio. Dois operadores estavam usando um "vaso de geometria desfavorável em uma operação improvisada e não aprovada como um vaso temporário para armazenar solução orgânica de plutônio"; em outras palavras, os operadores estavam decantando as soluções de plutônio no tipo errado - mais importante, na forma - do recipiente. Depois que a maior parte da solução solvente foi derramada, houve um flash de luz e calor. "Assustada, a operadora largou a garrafa, desceu correndo as escadas e saiu da sala." Depois que o complexo foi evacuado, o supervisor de turno e o supervisor de controle de radiação entraram novamente no prédio. O supervisor de turno então enganou o supervisor de controle de radiação e entrou na sala do incidente; isso foi seguido pela terceira e maior excursão de criticidade que irradiou o supervisor de turno com uma dose fatal de radiação, possivelmente devido a uma tentativa do supervisor de derramar a solução em um ralo no chão. 1 1
23 de setembro de 1983 Centro Atomico Constituyentes Um operador do reator de pesquisa RA-2 em Buenos Aires , Argentina, recebeu uma dose de radiação fatal de 3700 rad (37 Gy ) enquanto alterava a configuração da barra de combustível com água moderada no reator. Dois outros ficaram feridos. 2 1
10 de agosto de 1985 Baía de Chazhma , Vladivostok Submarino soviético K-431 O submarino havia sido reabastecido e a tampa do tanque do reator estava sendo substituída. A tampa foi colocada incorretamente e teve que ser levantada novamente com as hastes de controle instaladas. Supunha-se que uma viga evitava que a tampa fosse levantada muito, mas essa viga foi posicionada incorretamente e a tampa com as hastes de controle foi levantada demais. Às 10:55 AM, o reator de estibordo tornou-se crítico imediato , resultando em uma excursão de criticidade de cerca de 5,10 18 fissões e uma explosão térmica / a vapor. A explosão expeliu a nova carga de combustível, destruiu os compartimentos da máquina, rompeu o casco de pressão do submarino e a antepara de ré e destruiu parcialmente a barraca de abastecimento, com o telhado da barraca caindo a 70 metros na água. Seguiu-se um incêndio, que foi extinto após 4 horas, após o que se iniciou a avaliação da contaminação radioativa . Houve dez mortos e 49 outras pessoas sofreram ferimentos de radiação e uma grande área a noroeste foi gravemente contaminada. 49 10
17 de junho de 1997 Sarov O pesquisador sênior do Centro Nuclear Federal Russo Alexandr Zakharov recebeu uma dose fatal de 4850 rem em um acidente de gravidade. 0 1
30 de setembro de 1999 Tōkai Na instalação de reprocessamento de urânio japonesa na província de Ibaraki , trabalhadores despejaram uma solução de nitrato de uranila em um tanque de precipitação que não foi projetado para conter uma solução deste enriquecimento de urânio, causando a formação de uma eventual massa crítica, resultando na morte de dois trabalhadores de exposição severa à radiação. 1 2

  • A esfera de plutônio cercada por blocos de carboneto de tungstênio que refletem nêutrons em uma reconstituição do experimento de 1945 de Harry Daghlian.

  • Uma recriação do incidente de Slotin. O hemisfério interno com o orifício para o polegar próximo à mão é o berílio (substituindo o adulterador de urânio em uma bomba Fat Man), com uma esfera externa maior de metal sob ela, de alumínio. O " núcleo demoníaco " de plutônio de 3,5 polegadas (89 mm) de diâmetro ( o mesmo que no incidente de Daghlian) estava dentro no momento do acidente e não seria visível. No entanto, suas dimensões são comparáveis ​​às duas pequenas meias-esferas mostradas descansando nas proximidades.

  • Imagem da montagem de Lady Godiva na configuração scrammed (segura).

  • Imagem da montagem de Lady Godiva, mostrando os danos causados ​​às hastes de suporte após a excursão de fevereiro de 1954. Observe que as imagens são de diferentes montagens.

Especulou-se, embora não confirmado pelos especialistas em acidentes de gravidade, que Fukushima 3 sofreu um acidente de gravidade. Com base em informações incompletas sobre os acidentes nucleares de Fukushima I em 2011 , o Dr. Ferenc Dalnoki-Veress especula que críticas transitórias podem ter ocorrido lá. Observando que reações em cadeia limitadas e não controladas podem ocorrer em Fukushima I, um porta-voz da Agência Internacional de Energia Atômica ( AIEA ) "enfatizou que os reatores nucleares não explodirão". Em 23 de março de 2011, feixes de nêutrons já haviam sido observados 13 vezes na usina nuclear danificada de Fukushima. Embora não se acreditasse que um acidente de criticidade fosse responsável por esses feixes, os feixes poderiam indicar que a fissão nuclear está ocorrendo. Em 15 de abril, a TEPCO informou que o combustível nuclear derreteu e caiu nas seções de contenção inferiores de três dos reatores de Fukushima I , incluindo o reator três. Não se esperava que o material derretido rompesse um dos recipientes inferiores, o que poderia causar uma liberação maciça de radioatividade. Em vez disso, acredita-se que o combustível derretido tenha se dispersado uniformemente nas porções inferiores dos recipientes dos reatores nº 1, nº 2 e nº 3, tornando muito improvável a retomada do processo de fissão, conhecido como "recriticalidade".

Efeitos observados

Imagem de um ciclotron de 60 polegadas , por volta de 1939, mostrando um feixe externo de íons acelerados (talvez prótons ou deuterons ) ionizando o ar circundante e causando um brilho de ar ionizado . Devido ao mecanismo de produção semelhante, acredita-se que o brilho azul se assemelhe ao "flash azul" visto por Harry Daghlian e outras testemunhas de acidentes de gravidade .

Brilho azul

Veja também: Brilho de ar ionizado

Foi observado que muitos acidentes de gravidade emitem um flash de luz azul.

O brilho azul de um acidente de criticalidade resulta da fluorescência dos íons, átomos e moléculas excitados do meio circundante voltando a estados não excitados. Este também é o motivo pelo qual faíscas elétricas no ar, incluindo relâmpagos , aparecem em azul elétrico . O cheiro de ozônio era considerado um sinal de alta radioatividade ambiente pelos liquidatários de Chernobyl .

Este flash azul ou "brilho azul" também pode ser atribuído à radiação Cherenkov , se a água estiver envolvida no sistema crítico ou quando o flash azul for experimentado pelo olho humano. Além disso, se a radiação ionizante corta diretamente o humor vítreo do olho, a radiação Cherenkov pode ser gerada e percebida como uma sensação de brilho / faísca azul visual.

É uma coincidência que a cor da luz Cherenkov e da luz emitida pelo ar ionizado sejam de um azul muito semelhante; seus métodos de produção são diferentes. A radiação Cherenkov ocorre no ar para partículas de alta energia (como chuvas de partículas de raios cósmicos ), mas não para as partículas carregadas de energia mais baixas emitidas pela decomposição nuclear.

Em um cenário nuclear, a radiação Cherenkov é vista em meios densos como a água ou em uma solução como o nitrato de uranila em uma usina de reprocessamento. A radiação Cherenkov também pode ser responsável pelo "flash azul" experimentado em uma excursão devido à interseção de partículas com o humor vítreo dentro dos globos oculares daqueles na presença da criticidade. Isso também explicaria a ausência de qualquer registro de luz azul na vigilância por vídeo dos incidentes mais recentes.

Efeitos de calor

Algumas pessoas relataram ter sentido uma "onda de calor" durante um evento de criticidade. Não se sabe se esta pode ser uma reação psicossomática à realização do que acabou de ocorrer (ou seja, a alta probabilidade de morte iminente inevitável de uma dose de radiação fatal), ou se é um efeito físico de aquecimento (ou estimulação não térmica de nervos sensores de calor na pele) devido à radiação emitida pelo evento de criticalidade.

Uma revisão de todos os acidentes de criticalidade com relatos de testemunhas oculares indica que as ondas de calor só foram observadas quando o brilho azul fluorescente (a luz não Cherenkov , veja acima) também foi observado. Isso sugeriria uma possível relação entre os dois e, de fato, um pode ser potencialmente identificado. No ar denso, mais de 30% das linhas de emissão de nitrogênio e oxigênio estão na faixa ultravioleta e cerca de 45% estão na faixa do infravermelho . Apenas cerca de 25% estão na faixa visível. Como a pele fica leve (visível ou não) devido ao aquecimento da superfície cutânea, é possível que esse fenômeno possa explicar as percepções das ondas de calor. No entanto, esta explicação não foi confirmada e pode ser inconsistente com a intensidade da luz relatada pelas testemunhas em comparação com a intensidade do calor percebido. Pesquisas futuras são dificultadas pela pequena quantidade de dados disponíveis nos poucos casos em que humanos testemunharam esses incidentes e sobreviveram por tempo suficiente para fornecer um relato detalhado de suas experiências e observações.

Veja também

Na cultura popular

Notas

Referências

links externos