臨界運行

**臨界事故**（英語：criticality accident）是核反應爐發生鏈式反應導致功率失常激增引起的事故。事故中濃縮鈾或鈽等裂變材料中的鏈式反應能產生強烈的中子輻射，對人類傷害極大，並且會在周圍環境中引發感生放射性。臨界或超臨界核分裂一般發生在反應爐堆芯內部或實驗中。

雖然臨界事故危害較大，但是它一般達不到原子彈的設計條件，因此一般不會引發核爆炸。核反應產生的熱量可能會讓核材料膨脹，因此幾秒之後材料又將處於亞臨界狀態，反應停止。在原子能的發展歷程中，在反應爐外收集核分裂材料的時候曾經發生過 60 次臨界事故，其中一些事故導致離事發地點較近的人員因接受了過量的輻射而死亡。不過，沒有一宗事故引起過爆炸。

## 事故原因

把鈾或鈽的單質、化合物或溶液混合起來，就有可能引發臨界事故。決定混合物是否達到臨界點（即是否發生臨界反應）的因素包括：同位素的比例；材料的形狀；溶液的化學組成；化合物或合金的類別；複合材料和周圍材料。

預測材料達到臨界狀態的可能性的計算較複雜，因此民用和軍用核設施都需要專人監控，以避免發生臨界反應。

## 事故類型

臨界事故大致可分為兩類。

1. **操作事故**，操作中所有的預防措施都失效的時候就會發生。
2. **反應爐事故**，反應爐失去控制，達到臨界條件。根據反應的發展過程，可以把事故分為四個類型： 

  1. 瞬間發生，迅速達到臨界條件的事故
  2. 只在短時間達到臨界條件的事故
  3. 潛在事故
  4. 穩定發展的事故

## 可見現象

### 藍色輝光

（區別於電離空氣輝光）
許多臨界事故的發生都伴隨這一道藍色的輝光，能瞬間加熱周圍的物體。這種藍色閃光（或者說輝光）常常被誤以為是切連科夫輻射，因為這兩種現象發出的閃光顏色相似，然而這僅僅是一個巧合。
臨界事故發生的藍色輝光是空氣中被電離的激發態原子（或分子）回到非激發態的時候發出的光譜，主要是氧氣和氮氣產生的。因此空氣中會產生電火花，甚至形成淡藍色的閃電。切連科夫輻射產生的藍光和被電離的空氣發出的藍光顏色非常相似，但這只是一個巧合，它們的形成原理差異很大。值得強調的是，據說臭氧的氣味就是車諾比的液化器周圍環境輻射過高的信號。
切連科夫輻射可能發出大量藍光的唯一情況是，在後處理工廠里，高密度媒介（例如水和硝酸鈾醯）中達到了臨界條件。而且這只有在容器透明或者被打開的時候才能被觀察到。

### 放熱

一些經歷過臨界事故的人報告感覺到了「一股熱浪」。不過據已知資料無法得知這是對剛才發生的恐怖事件的一種心理反應，還是事故釋放出的大量能量引發的一種確實存在的物理熱效應（或者是非熱能信號觸發了皮膚中的熱感受器）。例如，當路易斯・斯洛廷發生事故的時候大約發生了 3×1015 次裂變，但這產生的能量只能讓皮膚溫度上升百分之幾度，但當時鈽球中積累的能量大約有 80kJ，足以把一個重 6.2kg 的鈽球溫度上升大約 100℃（鈽的比熱大約為 0.13 J・g−1·K−1）。金屬的熱輻射足以讓附近的人感覺到溫度上升。這個解釋卻不足以解釋臨界事故的受害者們的感受，因為離鈽球幾英尺遠的人也感覺到了熱。也有可能是電離輻射在細胞上造成的電離損傷和自由基的形成損壞的組織，使人感覺到灼熱。

還有一種可能的解釋是，產生熱量的現象是在對藍色輝光進行觀察之後推理出來的。一份關於所有臨界事故的目擊報告顯示，只有當出現藍色輝光的時候才有熱輻射。這也許暗示了這兩種現象之間存在聯繫，而其中一種能被馬上觀察到。收集並分析周圍較稠密（未被電離）的空氣中的來自氮原子和氧原子的的輻射之後，人們發現大約 30% 的輻射處於紫外線波段，大約 45% 處於紅外線波段。由於皮膚能以熱量的形式感受到紅外線，而紫外線能引起曬傷，這很可能解釋了目擊者感覺到熱浪的原因。

## 相關事件

自從 1945 年以來，至少發生過 60 宗臨界事故，導致了至少 21 人死亡，其中美國 7 人，蘇聯 10 人，日本 2 人，阿根廷 1 人，南斯拉夫 1 人。其中 9 宗事故的原因是操作失誤，其他的屬於實驗反應爐事故。
在研發核武器和反應爐的過程中都發生過臨界事故。

* 1945 年 6 月 4 日，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家約翰・比斯萊（John Bistline）正在進行實驗，研究把一塊亞臨界質量的濃縮鈾浸在水反射層中的結果。當水滲入裝著鈾的聚乙烯盒子時，實驗意外達到了臨界條件。三個人受到了低於致死劑量的輻射。
* 1945 年 8 月 21 日，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家小哈里・K・達利安不小心把一塊碳化鎢掉到一個鈽球上，那塊碳化鎢掉落當下成為中子反射層，使系統達到臨界條件。（這個鈽球後來被稱為「惡魔核心」）小哈里・K・達利安接受了致死劑量的輻射，這也是已知的第一宗導致了死亡的臨界事故。

* 1946 年 5 月 21 日，又一位洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家路易斯・斯洛廷（Louis Slotin）意外地在一次相似的事故中受到了輻射，這次事故在當時被稱為 Paharito 事故，肇事者正好是害死了達利安的那個鈽球。斯洛廷用兩個直徑 9 英寸的空心半球形中子反射材料（鈹）一上一下地把鈽球包裹起來，並用一個螺絲刀使它們稍微分開，這能使系統保持在亞臨界狀態。當螺絲刀意外滑落的的時候，兩個半球完全包裹了鈽球，達到了臨界狀態。當斯洛廷意識到發生了什麼之後，他果斷地用手分開了兩個半球，拯救了附近其餘七個科學家的生命。斯洛廷九天後死於輻射。

* 1958 年 6 月 16 日，第一宗有記錄的鈾引發的臨界事故發生在田納西州的橡樹嶺，Y-12 反應爐。在一次裂變溶液的例行檢漏中，沒有人發現收集的溶液達到了 55 加侖（約 208 升）。臨界反應進行了大約 20 分鐘，導致 8 個工人受到了大量輻射。沒有人死亡，不過其中 5 人住院治療了 44 天。所有 8 個工人最終都重返工作崗位。
* 1958 年 10 月 15 日，南斯拉夫 Vinča 的 Vinca 核研究中心的 RB 重水反應爐發生了一宗臨界事故，導致 1 人死亡，5 人受傷。倖存者在歐洲接受了歷史上的首例骨髓移植。
* 1958 年 12 月 30 日，洛斯阿拉莫斯國家實驗室，負責提純鈽的化學操作員塞西爾・凱利（Cecil Kelley）打開了一個大型混合器的開關，在水缸里形成了漩渦。溶解在有機溶劑里的鈽流進了漩渦中心。由於操作失誤，混合物中含有 3.27kg 的鈽，在 200 毫秒內達到了臨界條件。最終人們估計，凱利接受了 3900 到 4900 rad（合 39 到 49 戈瑞）的輻射。其他操作人員說他們看到了一道閃光，然後發現凱利在外面喊著「我要燒起來了！」。凱利於 35 小時之後逝世。
* 1964 年 7 月 23 日，美國羅德島州查爾斯鎮的木河結工廠（Wood River Junction）發生了一宗臨界事故。反應爐的設計能從燃料生產的廢渣中回收鈾，一個操作人員將三氯乙烷注入裝著鈾 - 235 和碳酸鈉的池子中，把裡面的有機物提取出來。事故發生時他錯誤地加入了鈾溶液，引發臨界事故。這個操作人員受到了 100 戈瑞的致死劑量輻射。90 分鐘後，當一個反應爐管理員回來關掉攪拌器的時候，臨界事故再次發生，使他受到了輻射。還有一個高級管理員受到 1 戈瑞的輻射，沒有產生症狀。操作人員受到的輻射最多，他死於事故發生後 49 個小時。
* 1968 年 12 月 10 日，俄羅斯中部一個叫 Mayak 的核燃料加工廠正在進行鈽提純實驗。兩個操作人員「未經許可，把不合適的管子當作儲存鈽的有機溶液的臨時容器」。也就是說，他們把鈽溶液裝到了錯誤的容器里，關鍵的錯誤在於容器的**形狀**。當大部分溶液被倒出之後，實驗裝置產生了一道閃光，並開始放熱。「被嚇壞了的實驗員扔下瓶子，從房間裡衝出來，跑下樓梯。」在疏散了現場後，倒班主管和輻射控制主管回到了這座樓。倒班主管把輻射控制主管騙進了發生事故的房間，並可能試著把溶液倒進下水道里，但這引發了大規模的核反應，使倒班主管受到了致死劑量的核輻射。
* 1983 年 9 月 23 日，位於阿根廷布宜諾斯艾利斯的原子研究中心的 RA-2 反應爐的一個實驗員受到了 3700 rads（37Gy）的致死劑量輻射。他在反應爐里還有慢化水的情況下換了燃料棒。還有另外兩個人受到了輻射傷害。
* 1999 年 9 月 30 日，東海村 JCO 臨界意外：位於日本茨城縣，住友金屬礦山的子公司 JCO 的一個鈾再處理工廠里，工人把硝酸鈾醯的混合溶液注入沉澱池，而這個沉澱池並不適合盛裝這種類型的溶液，最終使放射性物質達到了臨界質量，導致兩名工人死於輻射傷害。
* 根據不完整資料，費倫茨・達諾基 - 維瑞斯博士（Dr. Ferenc Dalnoki-Veress）猜測，2011 年福島第一核電站事故中可能發生過短暫的臨界事故。考慮到福島 1 號反應爐可能發生的鏈式反應失控將受到的限制，國際原子能機構（IAEA）的一名發言人「估計反應爐不會爆炸」。到 2011 年 3 月 23 日，在損壞的福島第一核電站反應爐周圍 13 次觀察到了中子流。雖然科學家不認為是臨界事故釋放了這些中子流，但中子流可能表示裡面發生了核分裂。而且，在 4 月 15 日，東京電力公司報告，核燃料已經熔化，並進入了福島第一核電站下面的接收容器的其中 3 個，包括 3 號反應爐。根據猜測，熔化的燃料並沒有損壞這些容器，否則將導致強烈的輻射釋放。可能這些燃料均勻地擴散到了 1、2、3 號反應爐的底部，使得裂變反應的重新發生和臨界狀態的重建變得不大可能。

## 參見

* 國際核事件分級表
* 爐心融毀