Введение

Неконтролируемая цепная реакция ядерного деления

Авария критичности — это случайная неконтролируемая цепная реакция ядерного деления. Она также известна как критическая экскурсия, критическая экскурсия мощности, дивергентная цепная реакция или просто критическое состояние. Любое подобное событие связано с непреднамеренным накоплением или расположением критической массы делящегося материала, например, обогащенного урана или плутония. Аварии критичности могут привести к потенциально смертельным дозам радиации, если они происходят в незащищенной среде. В нормальных условиях критическая или сверхкритическая реакция деления (самоподдерживающаяся по мощности или увеличивающаяся по мощности) должна происходить только внутри надежно защищенного объекта, такого как активная зона реактора или подходящая экспериментальная установка. Авария критичности возникает, если та же реакция достигается непреднамеренно, например, в небезопасной среде или во время технического обслуживания реактора. Хотя опасные и часто смертельные для людей в непосредственной близости, образовавшаяся критическая масса не способна вызвать мощный ядерный взрыв, подобный взрыву ядерной бомбы. Это связано с тем, что все конструктивные особенности, необходимые для создания ядерного боеприпаса, не могут возникнуть случайно. В некоторых случаях тепло, выделяемое цепной реакцией, приводит к расширению делящегося (и другого находящегося поблизости) материала. В таких случаях цепная реакция может либо перейти в устойчивое состояние с низкой мощностью, либо временно или постоянно прекратиться (стать субкритической). За всю историю развития атомной энергетики произошло по меньшей мере 60 аварий критичности, включая 22 в технологических процессах, за пределами активных зон ядерных реакторов или экспериментальных установок, и 38 в небольших экспериментальных реакторах и других испытательных сборках. Хотя аварии, происходящие за пределами реакторов, характеризуются значительными выбросами радиации, эти выбросы локализованы. Тем не менее, люди, находившиеся вблизи этих событий, получили смертельные дозы радиации, в результате чего погибло более 20 человек. В нескольких авариях на реакторах и критических экспериментальных установках высвобожденная энергия вызвала значительные механические повреждения или паровые взрывы.

21 августа 1945 года ученый из Лос-Аламоса Гарри Даглиан получил смертельное радиационное отравление и умер через 25 дней после того, как случайно уронил кирпич из карбида вольфрама на сферу плутония, которая позже (см. следующую запись) получила прозвище «ядро демона». Кирпич действовал как нейтронный отражатель, приведя массу к критическому состоянию. Это была первая известная авария критичности, приведшая к смерти.

21 мая 1946 года ученый из Лос-Аламоса Луи Слотин случайно облучил себя во время аналогичного инцидента (в то время называвшегося «аварией Паджарито») с использованием той же сферы плутония «ядро демона», которая была вовлечена в аварию Даглиана. Слотин окружил плутониевую сферу двумя полусферическими чашками диаметром 9 дюймов из нейтронно-отражающего материала бериллия, по одной сверху и снизу. Он использовал отвертку, чтобы удерживать чашки слегка раздвинутыми, тем самым поддерживая сборку в субкритическом состоянии, вопреки обычным протоколам. Когда отвертка случайно соскользнула, чашки сомкнулись вокруг плутония, переводя сборку в сверхкритическое состояние. Слотин быстро разобрал устройство, вероятно, спасая других в комнате от смертельного облучения, но сам Слотин умер от отравления радиацией через девять дней. «Ядро демона» было расплавлено, а материал был повторно использован в других испытаниях бомб в последующие годы.

16 июня 1958 года на заводе Y12 в Оук-Ридже, штат Теннесси, произошла первая зарегистрированная авария критичности, связанная с переработкой урана. Во время обычной проверки на утечки делящийся раствор непреднамеренно скопился в 55-галлонном барабане. Экскурсия длилась около 20 минут и привела к значительному облучению восьми рабочих. Никто не погиб, хотя пятеро были госпитализированы на 44 дня. Все восемь рабочих в конечном итоге вернулись к работе.

15 октября 1958 года в Институте ядерных исследований в Винче произошла критическая экскурсия в тяжеловодном реакторе RB в Институте ядерных исследований Бориса Кидрича в Винче, Югославия, в результате чего один человек погиб и пятеро получили ранения. Первые выжившие получили первую в Европе трансплантацию костного мозга.

30 декабря 1958 года в Лос-Аламосе Сесил Келли, химик-оператор, работавший над очисткой плутония, включил мешалку в большом смесительном баке, что создало воронку в баке. Плутоний, растворенный в органическом растворителе, стекал в центр воронки. Из-за процедурной ошибки смесь содержала 3,27 кг плутония, который достиг критического состояния примерно на 200 микросекунд. По более поздним оценкам, Келли получил от 3900 до 4900 рад (36,385–45,715 Зв). Другие операторы сообщили, что видели яркую вспышку синего света и обнаружили Келли снаружи, кричащего: «Я горю! Я горю!» Он умер через 35 часов.

3 января 1961 года SL-1, экспериментальный ядерный реактор Армии США, расположенный в 64 км к западу от Айдахо-Фолс, подвергся паровому взрыву и разрушению активной зоны из-за неправильного ручного извлечения центрального управляющего стержня, в результате чего три оператора погибли от силы взрыва и были пронзены.

10 декабря 1968 года в Маяке, на ядерном топливном заводе в центральной России, проводились эксперименты с методами очистки плутония с использованием различных растворителей для экстракции. Некоторые из этих растворителей попали в резервуар, не предназначенный для их хранения, и превысили допустимый предел делящегося вещества для этого резервуара. Вопреки процедуре, начальник смены приказал двум операторам уменьшить объем резервуара и перекачать растворитель в другой сосуд. Два оператора использовали «неблагоприятный по геометрии сосуд в импровизированной и несанкционированной операции в качестве временного сосуда для хранения органического раствора плутония»; другими словами, операторы переливали растворы плутония в контейнер неправильного — и, что более важно, формы. После того, как большая часть растворителя была вылита, произошла вспышка света и тепла. «Испугавшись, оператор уронил бутылку, сбежал вниз по лестнице и вышел из комнаты». После эвакуации комплекса начальник смены и руководитель группы радиационного контроля вновь вошли в здание. Начальник смены затем обманул руководителя группы радиационного контроля и вошел в комнату, где произошел инцидент; за этим последовала третья и самая крупная авария критичности, которая облучила начальника смены смертельной дозой радиации, возможно, из-за попытки начальника смены вылить раствор в напольный слив.

23 сентября 1983 года оператор исследовательского реактора RA-2 в Буэнос-Айресе, Аргентина, получил смертельную дозу радиации в 3700 рад (37 Гр) во время изменения конфигурации топливных стержней с использованием замедляющей воды в реакторе. Двое других получили ранения.

10 августа 1985 года в заливе Чажма, Владивосток, заменяли крышку реакторного отсека советской атомной подводной лодки К-431 после ее дозаправки. Крышка была установлена неправильно и ее пришлось поднять снова вместе с управляющими стержнями. Предполагалось, что балка должна была предотвратить слишком сильное поднятие крышки, но эта балка была установлена неправильно, и крышка с управляющими стержнями была поднята слишком высоко. В 10:55 утра правый реактор стал быстро критическим, что привело к критической экскурсии примерно в 5·1018 делений и тепловому/паровому взрыву. Взрыв выбросил новую загрузку топлива, разрушил машинные отделения, прорвал корпус подводной лодки и кормовую переборку и частично разрушил укрытие для дозаправки, крыша которого упала в воду на расстоянии 70 метров. После этого последовал пожар, который был потушен через 4 часа, после чего началась оценка радиоактивного загрязнения. Погибло десять человек, 49 получили радиационные травмы, и большая территория к северо-западу от полуострова Дунай была сильно загрязнена.

Синий свет

Было замечено, что многие аварии с развитием критичности сопровождаются синей вспышкой света. Именно поэтому электрические искры в воздухе, включая молнию, кажутся электрически-голубыми. Ликвидаторы Чернобыльской аварии считали запах озона признаком высокой фоновой радиоактивности. Эта синяя вспышка или "голубое свечение" также может быть объяснена излучением Черенкова, если вода присутствует в критической системе или если синяя вспышка воспринимается человеческим глазом, но не для частиц с низкой энергией, испускаемых при ядерном распаде.

Тепловые эффекты

Некоторые люди сообщали об ощущении "тепловой волны" во время критического события. Неизвестно, является ли это психосоматической реакцией на осознание произошедшего (то есть высокой вероятности неминуемой смерти от смертельной дозы радиации), или физическим эффектом нагрева (либо нетермической стимуляцией теплочувствительных нервов кожи) из-за излучения, испускаемого при критическом событии. Анализ всех случаев критических аварий с показаниями очевидцев показывает, что тепловые волны наблюдались только одновременно с флуоресцентным синим свечением (не свечением Черенкова, см. выше). Это указывает на возможную связь между этими явлениями, и их действительно можно установить. В плотном воздухе более 30% спектральных линий излучения азота и кислорода приходится на ультрафиолетовый диапазон, а около 45% – на инфракрасный. Лишь около 25% находится в видимом диапазоне. Поскольку кожа ощущает свет (видимый или невидимый) через нагрев поверхности, возможно, именно это явление объясняет восприятие тепловых волн. Однако это объяснение не подтверждено и может не соответствовать интенсивности света, о которой сообщают свидетели, по сравнению с интенсивностью воспринимаемого тепла. Дальнейшие исследования затруднены из-за малого количества данных, полученных в редких случаях, когда люди становились свидетелями этих инцидентов и выживали достаточно долго, чтобы дать подробный отчет о своем опыте и наблюдениях.