Nehoda s kritičností je náhlé spuštění řetězové štěpné reakce. Dochází při ní k nahromadění kritického množství štěpného materiálu, například obohaceného uranu nebo plutonia. Pokud se taková nehoda stane v prostředí nechráněném před zářením, může vést i ke smrtelnému ozáření.
Za běžných podmínek se kritické nebo nadkritické množství nahromadí pouze v bezpečně stíněných oblastech, jako jsou například jaderné reaktory; nehody s kritičností nastávají v nechráněných prostředích nebo během údržby reaktorů.
I když mívají tyto nehody pro osoby v jejich blízkosti často smrtelné následky, tak nahromaděné kritické množství není schopno způsobit velký jaderný výbuch jako u jaderných zbraní, protože jejich konstrukce neumožňují náhodné odpálení. Někdy může uvolněné teplo vyvolat rozpínání materiálu, což vede k setrvalému stavu dočasnému či trvalému ustavení podkritičnosti.
V průběhu vývoje jaderných zbraní se objevilo nejméně 60 nehod s kritičností, z toho 22 mimo jaderné reaktory nebo experimentální zařízení, a 38 v malých experimentálních reaktorech. Takovéto události vedou k uvolnění velkého množství ionizujícího záření, ale objevují se v malých oblastech. Známých úmrtí v důsledku nehod s kritičností je více než 20.
Některé nehody tohoto druhu vedly k uvolnění energie postačující k výraznému mechanickému poškození nebo k výbuchům páry.
Fyzikální podstata Ke kritickému stavu dochází, když se dostatečné množství štěpitelného materiálu (označované jako kritické množství) nahromadí v tak malém objemu, že na každé štěpení připadne jeden uvolněný neutron, který zasáhne štěpitelné jádro a vyvolá další štěpení. Takto se vytvoří samoudržující štěpná reakce. Při dosažení kritického množství je počet neutronů uvolňovaných štěpením přesně roven počtu neutronů zachycených nebo vypuštěných do okolí; v nadkritickém stavu množství neutronů vyzářených za daný čas převyšuje množství pohlcených a ztracených, což vede k řetězci zrychlujících se štěpení.
Kritičnosti lze dosáhnout u kovového uranu či plutonia i jejich roztoků. Vliv na řetězovou reakci má řada faktorů, jako jsou hmotnost, míra absorpce, geometrie, interakce, koncentrace, moderování reakce, míra obohacení, objem, odrážení, hustota, tvar, a teplota. Podmínky nutné pro dosažení kritického stavu, především hmotnost, geometrii, a koncentraci, lze vypočítat.
Dosažení kritičnosti vyvolá řetězovou jadernou reakci vedoucí k exponenciálnímu nárůstu množství neutronů a tím i toku neutronů. Tímto se vytvoří záření složené z neutronů a záření gama, nebezpečné pro všechny živé organismy v blízkosti.
Na jedno jaderné štěpení se vytvoří průměrně 2,5 neutronů; k udržení přesně kritické reakce tak musí být pohlceno nebo uniknout 1,5 neutronů.
Malá část neutronů, obvykle méně než 7 z 1000, uvolněných štěpením, patří mezi zpožděné neutrony. Tyto neutrony pochází z prekurzorů štěpných produktů a jsou důležité pro udržení řetězové reakce v jaderném reaktoru. Doba života zpožděných neutronů od štěpení se pohybuje od jednotek do 100 sekund. neutrons are usually classified in 6 delayed neutron groups. Zbylých 993 okamžitých neutronů se uvolní mnohem rychleji, do přibližně 1 μs od rozštěpení jader.
Nárůst reaktivity nad úroveň kritického stavu způsobí, že reakce již není ovlivňována zpožděnými neutrony a množství neutronů tak může exponenciálně narůst za velmi krátký čas. Tento stav lze odhalit dozimetrickými postupy a „systémy upozornění na kritičnost“.
Druhy nehod Nehody s kritičností se rozdělují do dvou skupin: Procesní nehody, kdy jsou narušeny procesy bránící dosažení kritičnosti; Reaktorové nehody, které nastávají při pochybení obsluhy nebo jiných neúmyslných událostech (například během údržby nebo doplňování paliva) na místech, kde má být dosažena kritičnost, jako jsou jaderné elektrárny, jaderné reaktory, a experimenty. Černobylská havárie byla ve své podstatě rozsáhlou nehodou s kritičností, ale obvykle se řadí mezi nehody s roztavením reaktoru, protože se po nehodě s kritičností zcela roztavil reaktor.
Známé případy Podle moderních odhadů došlo mezi roky 1945 a 1999 k 67 známým nehodám s kritičností a žádná další potvrzená od té doby nenastala.
Zpráva z Los Alamos vydaná roku 2000 udává mezi roky 1945 a 1999 60 nehod s kritičností, které zapříčinily 21 úmrtí: sedm ve Spojených státech amerických, deset v Sovětském svazu, dvě v Japonsku, a po jedné v Argentině a Jugoslávii. Devět z nich byly procesní nehody, ostatní souvisí s reaktory a experimenty s kritičností.
V roce 2014 bylo ve zprávě Nevadské univerzity dalších sedm nehod s kritičností před rokem 2000. Pět z nich nastalo při údržbě a doplňování paliva v reaktorech sovětských jaderných ponorek, a dvě při testování japonských komerčních reaktorů.
V tabulce níže jsou uvedeny některé dobře zaznamenané nehody:
Datum Místo Popis Zranění Úmrtí Zdroje 4. června 1945 Los Alamos John Bistline prováděl experiment za účelem zjištění vlivu vody na podkritické množství (35,4 kg) ranu obohaceného v průměru na 79,2 % U-235. Po vniknutí vody do polyethylenového držáku kovu došlo ke kritičnosti. Voda začala sloužit jako vysoce účinný moderátor neutronů. Proběhlo 3-4×1016 štěpení a teplota kovu vzrostla na 200 °C. Tři lidé (Bistline, J. Kupferberg, a H. Hammel) obdrželi nesmrtící dávky záření. V poválečné zprávě byla nehoda popsána takto: „Na dotčených mužích nebyly pozorovány žádné zdravotní následky kromě toho, že jednomu vypadalo trochu vlasů. Materiál byl několik dnů tak radioaktivní, že experimenty plánované na tyto dny musely být odloženy.“ 3 0 21. srpna 1945 Los Alamos Scientist Harry Daghlian obdržel smrtelnou dávku záření, když upustil cihlu z karbidu wolframu na plutoniovou polokouli. Tento materiál zapůsobil jako odražeč neutronů, který vyvolal kritičnost. Smrt nastala o 25 dnů později. Jedná se o první známou nehodu s kritičností se smrtelnými následky. 0 1 21. května 1946 Los Alamos Louis Slotin byl ozářen po podobné události na stejném plutoniovém jádře. Plutoniové jádro obklopil dvojicí berylliových polokoulí, jednou nad a jednou pod ním. Pomocí šroubováku udržoval tyto koule oddělené od sebe, a tím udržoval podkritičnost. Poté co šroubovák sklouzl polokoule uzavřely plutonium, čímž došlo k nadkritičnosti. Slotin soupravu rychle rozebral, čímž pravděpodobně ochránil od smrtelného ozáření ostatní osoby v místnosti, ale o 9 dnů později zemřel na akutní radiační syndrom. Jádro bylo roztaveno a materiál použit při dalších testech plutoniových zbraní. 8 1 1954 Los Alamos Otto Frisch obdržel vyšší než zamýšlenou dávku záření poté, co se na několik sekund naklonil do jaderného reaktoru. Jeho tělo odrazilo některé neutrony zpět do zařízení, přičemž jej od vážných následků zachránilo rychlé uhnutí z reaktoru a odstranění několika uranových bloků. 0 0 16. června 1958 Oak Ridge, Tennessee První popsaná nehoda související se zpracováváním uranu v Y-12 National Security Complex. Během testu úniků se nahromadil roztok štěpitelného materiálu v 26litrové nádobě. Kritičnost trvala přibližně 20 minut, osm pracovníků obdrželo významnou dávku záření, pět z nich vyžadovalo nemocniční péči, nedošlo ale k žádnému úmrtí. Všech osm zasažených se posléze vrátilo do práce. 8 0 Y-12’s 1958 nuclear criticality accident and increased safety Criticality accident at the Y-12 plant 15. října 1958 Ústav jaderných věd Vinča Nehoda s kritičností v těžkovodním reaktoru typu RB v Ústavu jaderných věd Borise Kidriče ve něstě Vinča v Jugoslávii způsobila smrt jedné osoby a zranění pěti dalších. Zasažení touto nehodou byli prvními lidmi v Evropě, kterým byla transplantována kostní dřeň. 5 1 Nuove esplosioni a Fukushima: danni al nocciolo. Ue: “In Giappone l’apocalisse” , 14 marzo 2011 30. prosince 1958 Los Alamos Cecil Kelley, pracovník na přečišťování plutonia, zapnul míchací zařízení velké mísicí nádoby, kde tím vytvořil vír. Plutonium, rozpuštěné v organickém rozpouštědle, se nahromadilo kolem středu víru. Kvůli chybě v procesu obsahovala nádoba 3,27 kg plutonia, které na přibližně 200 mikrosekund dosáhlo kritičnosti. Kelley obdržel dávku později odhadovanou na 3 900 až 4 900 rad (36,385 až 45,715 Sv). Zemřel o 35 hodin později. 0 1 The Cecil Kelley Criticality Accident 3. ledna 1961 SL-1, ~64 km západně od Idaho Falls V SL-1, experimentálním jaderném reaktoru Armády Spojených států amerických, došlo kvůli odebrání centrální řídicí tyče k výbuchu páry a poškození jádra, tři pracovníci byli zabiti výbuchem a napíchnutím na tyč. 0 3 24. července 1964 Wood River Junction Zařízení v Richmondu mělo za účel získávat uran z odpadů po výrobě jaderného paliva. Technik Robert Peabody měl přidat trichlorethen do nádoby obsahující uran-235 a uhličitan sodný aby odstranil organické nečistoty, místo toho do něj nalil roztok uranu, což vedlo ke kritičnosti. Obdržel dávku 10 000 rad (100 Gy). O 90 minut později došlo k další nehodě, kdy se správce budovy vrátil do zařízení a vypnul vypnul míchací zařízení, čímž vystavil sebe a dalšího pracovníka dávce až 100 rad (1 Gy). Pracovník podílející se na první nehodě zemřel po 49 hodinách. 0 1 7. února 1965SeverodvinskPři doplňování paliva v ponorce bylo potřeba přesunout víko reaktoru s připojenými kontrolními tyčemi. Víko, a tak i tyče, byly vytaženy příliš daleko, což vyvolalo kritičnost. Obsluha byla odvolána.neznámýneznámý12. února 1965SeverodvinskNehoda během vyšetřování události nastalé o pět dnů dříve. Vytažení víka mělo za následek kritičnost reaktoru, požár, a únik radioaktivní páry. Oheň byl uhašen hasicími přístroji, sladkou vodou, a slanou vodou. Kontaminovaná voda se rozšířila po ponorce.