miniatura|derecha|145px miniatura|derecha|150px|La imagen superior muestra la estructura Lady Godiva en la configuración segura, mientras que la imagen inferior muestra el daño causado a los tubos de soporte después de la excursión de febrero de 1954. Nota: las imágenes son de diferentes estructuras.McLaughlin et al. pages 81-82
Un accidente de criticidad, a veces también denominado excursión o excursión de potencia, es un incremento accidental de las reacciones nucleares en cadena en un material fisible, tal como el uranio enriquecido o plutonio. Esto libera una oleada de radiación por neutrones que es altamente peligrosa para los humanos y causa radiactividad inducida en los alrededores.
La fisión nuclear crítica o supercrítica (con una potencia que se mantiene o que va en aumento) generalmente ocurre en el interior del núcleo del reactor nuclear y ocasionalmente en situaciones experimentales. Un accidente de criticidad ocurre cuando se produce una reacción crítica no intencionada. Aunque peligrosos, los accidentes de criticidad normalmente no pueden reproducir las condiciones de diseño de un arma nuclear de fisión, de modo que no llevan a una explosión nuclear. El calor liberado por la reacción nuclear suele provocar una expansión del material fisible, de tal manera que la reacción nuclear se convierte en subcrítica a los pocos segundos, deteniéndose.
En la historia del desarrollo de la energía atómica, han ocurrido sesenta accidentes de criticidad en acopios de materiales fisibles fuera de los reactores nucleares y algunos de estos han resultado en la muerte, por exposición a la radiación, de las personas más cercanas al evento. Sin embargo, ninguna ha resultado en una explosión.
Causa La criticidad ocurre cuando demasiado material fisible está en un mismo lugar. La criticidad puede ser alcanzada usando uranio o plutonio metálico o al mezclar compuestos o soluciones líquidas de estos elementos. La mezcla isotópica, la forma del material, la composición química de las soluciones, compuestos, aleaciones, materiales compuestos y los materiales que están alrededor, todo esto influye si el material se volverá crítico, por ejemplo, sostendrá una reacción en cadena.
Los cálculos que predicen la probabilidad de que un material se vuelva crítico pueden ser complejos, así que las instalaciones tanto civiles como militares que manejan materiales fisibles emplean oficiales de criticidad especialmente entrenados para monitorizar las operaciones y evitar los accidentes de criticidad.
Tipos de accidentes Los accidentes de criticidad están divididos en una de dos categorías:
Accidentes de proceso, donde los controles instalados para prevenir cualquier criticidad son violados, y Accidentes de reactor, donde la criticidad alcanzada en forma deliberada en un reactor nuclear se vuelve incontrolable. Los tipos de excursión pueden ser clasificados en cuatro categorías que muestran la naturaleza de la evolución en el tiempo:
Excursión Casi Crítica Excursión de Criticidad Transientes Excursión Exponencial Excursión de Estado Estable
Incidentes miniatura|derecha|250px|La esfera de plutonio rodeada por bloques de carburo de tungsteno como reflectores de neutrones en una recreación del experimento de 1945 realizado por Harry Daghlian.McLaughlin et al. pages 74-75
Desde 1945 han ocurrido al menos 60 accidentes de criticidad. Estos han causado al menos 21 muertes: siete en Estados Unidos, diez en la Unión Soviética, dos en Japón, uno en Argentina, y uno en Yugoslavia. Nueve han sido debido a accidentes de proceso, y el resto accidentes de reactor.
Los accidentes de criticidad han ocurrido tanto en el contexto de las armas nucleares y de los reactores nucleares.
El 4 de junio de 1945, un experimento en Los Álamos para determinar la masa crítica del uranio enriquecido se convirtió en crítico cuando el agua se filtró en la caja de polietileno que contenía el metal. Tres personas recibieron dosis no letales de radiación.McLaughlin et al. page 93, "En esta excursión, tres personas recibieron dosis de radiación en las cantidades de 66, 66, y 7.4 rep.", LA Appendix A: "rep: un término obsoleto para la dosis de radiación absorbida por el tejido humano, reemplazada por rad. Originalmente derivado de la sigla de la frase Roentgen Equivalente, Físico, (REP)".
El 21 de agosto de 1945, el científico de Los Álamos Harry K. Daghlian, Jr. sufrió un envenenamiento por radiación fatal después de dejar caer un ladrillo de carburo de tungsteno sobre una esfera de plutonio, que más tarde fue denominada el núcleo del diablo. El ladrillo actuó como un reflector de neutrones, llevando a la masa hacia la criticidad. Este fue el primer accidente de criticidad conocido en provocar una muerte.McLaughlin et al. pages 74-76, "Su dosis fue estimada en 510 rem" miniatura|izquierda|250px|Una recreación del incidente Slotin. El interior del hemisferio cercano a la mano es de berilio, con una traba externa más grande bajo él, fabricado de uranio natural. El núcleo del diablo de plutonio de un diámetro de (el mismo del incidente Daghlian) estaba al interior, y no es visible.
El 21 de mayo de 1946, otro científico de Los Álamos, Louis Slotin, accidentalmente se irradió a sí mismo durante un incidente similar, cuando un experimento con masa crítica con la misma esfera de plutonio salió mal debido a que Slotin no siguió los protocolos del experimento. Inmediatamente después de darse cuenta de lo sucedido, él desmanteló rápidamente el dispositivo, probablemente salvando las vidas de siete compañeros científicos que se encontraban cercanos a él. Slotin murió por envenenamiento por radiación nueve días más tarde.McLaughlin et al. pages 74-76, "Las ocho personas en la habitación recibieron dosis de aproximadamente 2100, 360, 250, 160, 110, 65, 47, y 37 rem."
El 16 de junio de 1958, ocurrió la primera criticidad registrada, relacionada con el procesamiento del uranio, en la planta Y-12 en Oak Ridge, Tennessee. Durante una prueba de filtración de rutina una solución fisible, en forma desconocida, se acumuló en un tambor de 200 litros. La excursión duró aproximadamente 20 minutos y resultó en que ocho trabajadores recibieron una exposición significativa. No hubo fatalidades, aunque cinco fueron hospitalizados durante cuarenta y cinco días. Los ocho trabajadores finalmente regresaron al trabajo.Y-12’s 1958 nuclear criticality accident and increased safetyCriticality accident at the Y-12 plant. Diagnosis and treatment of acute radiation injury, 1961, Geneva, World Health Organization, pp. 27-48.
El 15 de octubre de 1958, una excursión de criticidad en el reactor de agua pesada RB, en el Vinča Nuclear Institute en Vinča, Yugoslavia, mató a una persona y llevó a la muerte de otras cinco personas adicionales.McLaughlin et al. page 96, "Las dosis de radiación fueron intensas, siendo estimadas en 205, 320, 410, 415, 422, and 433 rem.74 De las seis personas presentes, una murió poco después, y las otras cinco se recobraron después de severos casos de enfermedad por radiación." Los sobrevivientes iniciales recibieron el primer trasplante de médula ósea de Europa, pero todos ellos murieron debido al rechazo por incompatibilidad.Vinca reactor accident, 1958, compiled by Wm. Robert JohnstonNuove esplosioni a Fukushima: danni al nocciolo. Ue: “In Giappone l’apocalisse”, 14 de marzo de 2011
El 30 de diciembre de 1958, ocurrió el accidente de criticidad de Cecil Kelley en el Laboratorio Nacional de Los Álamos. Cecil Kelley, un operador químico que trabajaba en la purificación del plutonio, encendió un agitador de un gran tanque de mezcla que creó un vórtice en el tanque. El plutonio, disuelto en un disolvente orgánico, fluyó hacia el centro del vórtice. Debido a un error de procedimiento, la mezcla contenía 3,27 kg de plutonio, él que alcanzó criticidad por aproximadamente 200 microsegundos. Kelley recibió entre 3.900 y 4.900 rads de acuerdo a estimados posteriores. Los otros operadores informaron haber visto un relámpago azul y encontraron a Kelley afuera, diciendo "¡Me quemo! ¡Me quemo!". Él murió 35 horas más tarde.
El 23 de julio de 1964, ocurrió un accidente de criticidad en las instalaciones de Wood River Junction en Charlestown, Rhode Island. La planta estaba diseñada para recuperar uranio del material de chatarra sobrante de la producción de elementos de combustible. Un operador accidentalmente dejó caer una solución de uranio concentrado en un tanque agitado que contenía carbonato de sodio, lo que resultó en una reacción nuclear crítica. Esta criticidad expuso al operador a una dosis fatal de radiación de 10.000 rad (100 Gy). Noventa minutos más tarde una segunda excursión ocurrió cuando un administrador de la planta regresó al edificio y apagó el agitador, exponiéndose a sí mismo y a otro administrador a una dosis de hasta 100 rad (1 Gy) sin ningún efecto dañino.McLaughlin et al. pages 33-34JohnstoneBase de datos de incidentes radiológicos y eventos relacionados — Archivo de Johnston: accidente de criticidad de Wood River, 1964
El 10 de diciembre de 1968, Mayak, un centro de procesamiento de combustible nuclear en Rusia central, estaba experimentando con técnicas de purificación de plutonio. Dos operadores estaban usando un "recipiente de geometría no favorable en una operación improvisada y sin autorización como un recipiente temporal para almacenar plutonio en una solución orgánica"; en otras palabras, los operadores estaban decantando soluciones de plutonio en el tipo incorrecto de contenedor. Después de que la mayor parte de la solución había sido vaciada, hubo un relámpago de luz y calor. "Sorprendido, el operador dejó caer la botella, corrió hacia las escaleras, y huyó de la habitación."McLaughlin et al. pages 40-43 Después de que el complejo había sido evacuado, el supervisor del turno y el supervisor de control de radiación volvieron a entrar al edificio. El supervisor de turno engañó al supervisor de control de radiación y entró a la habitación del incidente y posiblemente intentó vaciar la solución en un drenaje del piso, causando una gran reacción nuclear que lo irradió con una dosis fatal de radiación.
El 23 de septiembre de 1983, un operador del reactor de investigación RA-2 en el Centro Atómico Constituyentes, Buenos Aires, Argentina recibió una dosis fatal de radiación de 3700 rads (37 Gy) mientras cambiaba la configuración de las varillas de combustible con agua moderando en el reactor. Otras dos personas fueron afectadas también.McLaughlin et al. page 103http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/gen-comm/info-notices/1983/in83066s1.html
El 30 de septiembre de 1999, en un instalación de reprocesamiento de uranio en Tokai, Ibaraki, Japón, trabajadores pusieron una mezcla de nitrato de uranilo en solución en un tanque de precipitación que no estaba diseñado para disolver este tipo de solución y causó que finalmente se formara una masa crítica, lo que resultó en la muerte de los dos trabajadores por envenenamiento por radiación.McLaughlin et al. pages 53-56http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/commission/secys/2000/secy2000-0085/2000-0085scy.pdfhttp://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/commission/secys/2000/secy2000-0085/attachment3.pdf