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.
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.
Los accidentes de criticidad están divididos en una de dos categorías:
y
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.
Se ha observado que muchos accidentes de criticidad emiten un relámpago azul de luz y el material se calienta substancialmente. Este relámpago azul o "resplandor azul" a menudo es incorrectamente atribuido a la radiación de Cherenkov, lo más probable debido a que al color de la luz emitida por ambos fenómenos son muy similares, pero solo es coincidencia.
La radiación de Cherenkov es producida por las partículas cargadas que están viajando a través de una substancia dieléctrica a una velocidad mayor que la de la luz en ese medio. Los únicos tipos de radiación de partículas cargadas producidos en el proceso de las reacciones de fisión de un accidente de criticidad son partículas alfas, partículas beta, positrones (todos los cuales provienen de la desintegración radiactiva de los productos inestables de la reacción de fisión) y de iones energéticos que a su vez son productos de la reacción por sí mismos. De estos, solo las partículas beta tienen la suficiente potencia de penetración para viajar más de unos pocos centímetros en el aire. Dado que el aire es un material de muy baja densidad, su índice de refracción (de alrededor de un n=1,0002926) difiere muy poco del que tiene el vacío (n=1) y por consiguiente la velocidad de la luz en el aire es solo de aproximadamente un 0,03% más lenta que su velocidad en el vacío. Por lo tanto, una partícula beta emitida por los productos de la fisión desintegrándose necesitaría tener una velocidad mayor que el 99,97% de c para poder emitir radiación Cherenkov. Debido a que la energía que una partícula beta produce no excede la energías de 20 MeV (20,6 MeV para el 14B que probablemente es la con más energía) y que la energía necesaria para que una partícula beta alcance el 99,7% de c es de 20,3 MeV, la posibilidad de que se produzca radiación de Cherenkov en el aire vía un accidente de criticidad es casi nula.
En vez, el resplandor azul de un accidente de criticidad es resultado de la emisión espectral de los átomos ionizados excitados (o moléculas excitadas) del aire (principalmente oxígeno y nitrógeno) regresando a sus estados no excitados, situación que produce una abundancia de luz azul. Esto es también la razón de los chispazos eléctricos en el aire, incluyendo el relámpago, aparentemente de un color azul eléctrico. Es una coincidencia que el color de la luz de la radiación de Cherenkov y el de la luz emitida por el aire ionizado sean de un azul muy similar a pesar de la diferencia en los mecanismos que la producen. Es interesante observar que entre los liquidadores de Chernóbil se decía que el olor a ozono era un signo de un campo de alta radiactividad.
La única situación donde la luz Cherenkov podría contribuir en forma significativa a la luz azul del relámpago es cuando la criticidad ocurre debajo del agua o totalmente en solución (tal como el nitrato de uranilo en una planta reprocesadora) y eso solo sí el contenedor estuviera abierto o fuera transparente.
Algunas personas reportaron sentir una "onda de calor" durante un evento de criticidad. Sin embargo, no se sabe si esto es una reacción psicosomática al terror de darse cuenta de lo que acaba de suceder, o si realmente es un efecto físico de calentamiento (o estimulación no termal de los nervios sensores de calor en la piel) debido a la energía emitida por el evento de criticidad. Por ejemplo, mientras el accidente que le ocurrió a Louis Slotin (una excursión de una potencia de alrededor de 3×1015 fisiones) solo habría depositado sobre la piel la suficiente energía para elevar su temperatura en fracciones de un grado, la energía depositada instantáneamente en la esfera de plutonio habría sido de alrededor de 80 kJ; suficiente para elevar la temperatura de la esfera de plutonio de 6,2 kg en alrededor de 100 °C (siendo el calor específico del Pu de 0.13 J•g-1•K-1). De esta forma la explicación mencionada aparece como inadecuada como una razón para describir los efectos termales mencionados por las víctimas de accidentes de criticidad, dado que las personas que se encontraban a varios metros más lejos de la esfera también informaron haber sentido el calor. También es posible que la sensación de calor simplemente haya sido causada por daño no termal a los tejidos a nivel celular por la ionización y la producción de radicales libres provocada por la intensa exposición a la radiación ionizante.
Una explicación alternativa de las observaciones de la onda de calor puede ser derivada de la discusión detallada en el párrafo anterior respecto al fenómeno del resplandor azul. Una revisión de todos los accidentes de criticidad con relatos de testigos indica que las ondas de calor solo fueron observadas cuando el resplandor azul fluorescente (la luz no provocada por la radiación de Cherenkov) también fue visto. Esto sugiere una posible relación entre las dos, y de hecho, una puede ser fácilmente identificada. Cuando todas las líneas de emisión del nitrógeno y del oxígeno son tabuladas y corregidas por potencia relativa en el aire denso, uno encuentra que sobre el 30% de las emisiones están en el rango ultravioleta, y que aproximadamente el 45% están en el rango infrarrojo. Solo aproximadamente el 25% están en el rango visible. Dado que la piel siente la luz infrarroja directamente como calor, y la luz ultravioleta causa quemaduras, es probable que este fenómeno pueda explicar las observaciones de la onda de calor.
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