임계사고

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1. 개요
2. 물리적 원리
3. 사고 유형
- 3.1. 과도 반응 유형
4. 주요 사고 사례
- 4.1. 대한민국 관련 사례
- 4.2. 국제적 사례
5. 관측되는 현상
- 5.1. 푸른 섬광 (Blue Glow)
- 5.2. 열 효과 (Heat Effects)
6. 대중문화 속 임계 사고
참조

1. 개요

임계 사고는 핵분열성 물질이 임계 질량에 도달하여 제어되지 않은 핵연쇄 반응이 일어나는 현상을 말한다. 충분한 양의 핵분열성 물질이 작은 부피에 모여 각 핵분열이 다른 핵분열을 일으키는 중성자를 생성하여 연쇄 반응이 유지될 때 발생하며, 금속 우라늄이나 플루토늄, 액체 용액 또는 분말 슬러리를 사용하여 달성할 수 있다. 임계 사고는 공정 사고와 원자로 사고로 분류되며, 즉발 임계, 과도 임계, 지수적, 정상 상태 과도 반응 등 네 가지 유형의 과도 반응으로 나타난다. 사고 발생 시 푸른 섬광이 관찰되며, 열파를 느꼈다는 보고도 있다. 1945년부터 1999년까지 60건의 임계 사고가 발생하여 21명이 사망했으며, 핵무기 및 원자로 관련 시설에서 주로 발생했다. 주요 사고 사례로는 해리 다글리언과 루이스 슬로틴의 사고, 체르노빌 원자력 발전소 사고, 도카이무라 JCO 임계 사고 등이 있다.

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임계사고

2. 물리적 원리

임계 질량 조립은 지수적 변화율을 갖는 핵연쇄반응을 일으켜 중성자 개체수를 변화시킨다. 이때 증가하는 중성자 플럭스와 핵분열 속도는 중성자 방사선과 감마선을 방출하며, 이는 보호 장비가 없는 생명체에게 매우 위험하다. 중성자 개체수의 변화율은 중성자 개체수, "임계" 상태, 그리고 핵분열성 매질의 특성인 중성자 생성 시간에 의해 결정된다.

2. 1. 임계 조건

임계는 충분한 임계 질량의 핵분열성 물질이 작은 부피에 축적되어 각 핵분열이 평균적으로 또 다른 핵분열을 일으키는 중성자를 하나씩 생성할 때 발생한다. 이는 핵분열 연쇄 반응이 물질 덩어리 내에서 자체적으로 유지되도록 한다. 즉, 임계 질량에서 시간에 따라 방출되는 중성자의 수는 다른 핵에 의해 포획되거나 환경으로 손실되는 중성자의 수와 ''정확히 같다''.

임계는 금속 우라늄 또는 플루토늄, 액체 용액 또는 분말 슬러리를 사용하여 달성할 수 있다. 연쇄 반응은 다음의 매개변수들의 영향을 받는다.

MAGIC MERV: 질량(Mass), 흡수(Absorption), 기하학적 구조(Geometry), 상호 작용(Interaction), 농도(Concentration), 감속(Moderation), 농축(Enrichment), 반사(Reflection) 및 부피(Volume)
MERMAIDS: 질량(Mass), 농축(Enrichment), 반사(Reflection), 감속(Moderation), 흡수(Absorption), 상호 작용(Interaction), 밀도(Density) 및 형상(Shape)

온도는 임계에 영향을 미치는 요인이기도 하다.

질량, 기하학적 구조, 농도 등 임계 상태에 필요한 조건을 결정하기 위해 계산을 수행할 수 있다. 핵분열성 물질이 민간 및 군사 시설에서 취급되는 경우, 특별히 훈련된 인력이 이러한 계산을 수행하고 합리적으로 실행 가능한 모든 조치를 사용하여 계획된 정상 작동 및 무시할 수 없는 가능성(합리적으로 예측 가능한 사고)을 기반으로 해고할 수 없는 잠재적 공정 장애 조건 모두에서 임계 사고를 방지한다.

2. 2. 중성자 생성 및 지연 중성자

핵분열은 핵분열 사건당 평균 약 2.5개의 중성자를 생성한다. 따라서 안정적이고 정확하게 임계인 연쇄 반응을 유지하려면 핵분열 사건당 1.5개의 중성자가 시스템에서 누출되거나 더 이상의 핵분열을 일으키지 않고 흡수되어야 한다.

핵분열에 의해 방출되는 중성자 1,000개 중 소수(일반적으로 약 7개 이하)는 ''지연 중성자 방출원''이라고 하는 핵분열 생성물 전구체에서 방출되는 지연 중성자이다. 우라늄의 경우 약 0.007 정도인 이 지연 중성자 분수는 원자로에서 중성자 연쇄 반응을 제어하는 데 중요하며, 1달러의 반응도라고 한다. 지연 중성자의 수명은 핵분열 후 수 초에서 거의 100초까지 다양하며, 일반적으로 6개의 지연 중성자 그룹으로 분류된다. 지연 중성자를 고려한 평균 중성자 수명은 약 0.1 초이며, 이는 연쇄 반응을 시간에 따라 비교적 쉽게 제어할 수 있게 해준다. 나머지 약 993개의 즉발 중성자는 핵분열 사건 후 약 1 μs 내에 매우 빠르게 방출된다.

정상 상태 작동에서 원자로는 정확한 임계 상태로 작동한다. 정확한 임계점(중성자 생성률이 흡수와 누출 모두에 의한 중성자 손실률과 균형을 이루는 지점)보다 반응도가 최소 1달러 이상 추가되면 연쇄 반응은 지연 중성자에 의존하지 않는다. 이러한 경우, 중성자 개체수는 매우 작은 시간 상수(즉발 중성자 수명)를 가지고 신속하게 지수적으로 증가하여, 매우 짧은 시간 프레임에서 중성자 개체수가 매우 크게 증가한다. 각 핵분열 사건은 핵분열당 약 200 MeV를 기여하므로, 이는 "즉발 임계 스파이크"로 매우 큰 에너지 버스트를 발생시킨다. 이 스파이크는 적절하게 배치된 방사선 선량 측정 계측기 및 "임계 사고 경보 시스템" 검출기에 의해 쉽게 감지할 수 있다.

2. 3. 반응도 및 과도 현상

임계는 충분한 임계 질량의 핵분열성 물질이 작은 부피에 축적되어 핵분열 연쇄 반응이 자체적으로 유지되는 상태이다. 핵분열성 물질에서 시간에 따라 방출되는 중성자 수는 다른 핵에 의해 포획되거나 환경으로 손실되는 중성자의 수와 같다.

핵분열에 의해 방출되는 중성자 1,000개 중 일부(약 7개 이하)는 지연 중성자이다. 지연 중성자는 지연 중성자 방출원에서 방출된다. 우라늄의 경우 약 0.007 정도인 이 지연 중성자 분수는 원자로에서 중성자 연쇄 반응을 제어하는 데 중요하며, 1달러의 반응도라고 한다. 지연 중성자의 수명은 핵분열 후 수 초에서 거의 100초까지 다양하며, 중성자는 일반적으로 6개의 지연 중성자 그룹으로 분류된다. 지연 중성자를 고려한 평균 중성자 수명은 약 0.1 초이며, 이는 연쇄 반응을 시간에 따라 비교적 쉽게 제어할 수 있게 해준다. 나머지 993개의 즉발 중성자는 핵분열 사건 후 약 1 μs 내에 매우 빠르게 방출된다.

원자로는 정상 상태 작동에서 정확한 임계 상태로 작동한다. 반응도가 정확한 임계점보다 1달러 이상 추가되면 연쇄 반응은 지연 중성자에 의존하지 않는다. 이러한 경우, 중성자 개체수는 즉발 중성자 수명이라는 매우 작은 시간 상수를 가지고 빠르게 증가한다. 각 핵분열 사건은 핵분열당 약 200 MeV를 기여하므로, 이는 "즉발 임계 스파이크"로 매우 큰 에너지 버스트를 발생시킨다. 이 스파이크는 방사선 선량 측정 계측기 및 "임계 사고 경보 시스템" 검출기에 의해 감지할 수 있다.

3. 사고 유형

임계 사고는 다음과 같은 두 가지 범주로 나뉜다.

'''공정 사고'''는 임계 상태를 방지하기 위해 마련된 제어가 위반되는 경우를 말한다.
'''원자로 사고'''는 원자력 발전소, 원자로 및 핵 실험 등 임계 상태에 도달하거나 접근하도록 설계된 장소에서 운영자 과실 또는 기타 의도하지 않은 사건(예: 유지 보수 또는 연료 장전 중)으로 인해 발생한다.

핵분열성 물질을 잘못 다루어 의도치 않게 핵분열 연쇄 반응이 일어나는 사건을 임계 사고라고 한다. 임계 사고로 방출되는 중성자선은 사고 발생 장소 근처에 있는 사람에게 매우 위험하며, 주변 물체를 방사능을 띠게 만들기도 한다.

핵분열 반응이 일어나도록 만들어진 원자로 노심이나 실험 시설 밖에서 임계 사고가 발생하면, 사고 장소에서 수십 미터 이내의 작업자는 중상 또는 사망에 이를 수 있다. 또한, 사고 장소 근처에는 방사성 물질이 방출될 위험이 있다. 그러나 이러한 사고에서는 핵분열성 물질의 밀도가 비교적 작고, 핵 물질이 임계량에 도달하기까지 걸리는 시간이 길기 때문에 핵분열 수율과 최대 출력이 억제되어 핵폭발로 이어지지는 않는다.

3. 1. 과도 반응 유형

과도 반응 유형은 시간에 따른 전개의 성격을 묘사하는 네 가지 범주로 분류할 수 있다.

1. 즉발 임계 과도 반응

2. 과도 임계 과도 반응

3. 지수적 과도 반응

4. 정상 상태 과도 반응

즉발 임계 과도 반응은 앞서 언급했듯이 초기 즉발 임계 피크를 갖는 출력 이력으로 특징지어지며, 자체적으로 종료되거나 연장된 기간 동안 감소하는 꼬리 영역과 함께 이어진다. 과도 임계 과도 반응은 초기 즉발 임계 과도 반응 후 지속되거나 반복되는 피크 패턴(때로는 "채깅"이라고도 함)으로 특징지어진다. 22건의 공정 사고 중 가장 길었던 사고는 1962년 핸포드에서 발생했으며 37.5시간 동안 지속되었다. 1999년 도카이무라 원자력 사고는 능동적인 개입으로 중단될 때까지 약 20시간 동안 임계 상태를 유지했다. 지수적 과도 반응은 1달러 미만의 반응도가 추가되어 중성자 개체수가 시간에 따라 지수적으로 증가하다가 피드백 효과 또는 개입으로 인해 반응도가 감소하는 경우를 특징으로 한다. 지수적 과도 반응은 최고 출력 수준에 도달한 다음 시간이 지남에 따라 감소하거나 정상 상태 과도 반응에 대해 임계 상태가 정확히 달성되는 정상 상태 출력 수준에 도달할 수 있다.

정상 상태 과도 반응은 또한 핵분열에 의해 생성된 열이 주변 환경으로의 열 손실과 균형을 이루는 상태이다. 이 과도 반응은 약 17억 년 전에 아프리카 가봉의 우라늄 매장지 내에서 자연적으로 생성된 오클로 자연 원자로에 의해 특징지어진다.

4. 주요 사고 사례

1945년부터 1999년까지 로스 알라모스 보고서에는 60건의 임계 사고가 기록되어 있으며, 이로 인해 21명이 사망했다. 이 중 9건은 핵물질 처리 시설에서, 나머지는 연구용 원자로에서 발생했다. 임계 사고는 핵무기와 원자로 모두에 대한 핵분열성 물질의 생산 및 시험 과정에서 발생했다.

다음 표는 주요 임계 사고 사례들을 연도순으로 보여준다.

장소	설명	부상자	사망자
로스 알라모스	오토 로버트 프리쉬가 레이디 고디바 장치에 기대어 있을 때, 그의 몸이 중성자를 반사하여 중성자 증배를 증가시켰다. 프리쉬는 빠르게 뒤로 물러서서 피해를 면했다. 그는 "2초만 더 망설였더라면 치명적이었을 것"이라고 말했다.	0	0
로스 알라모스	과학자 존 비스트라인의 실험 중, 폴리에틸렌 상자에 물이 새어 들어가면서 실험이 예기치 않게 임계 상태가 되었다. 세 사람이 치명적이지 않은 방사선량을 받았다.^[1]	3	0
오크리지, 테네시 Y-12 공장	핵분열성 용액이 55갤런 드럼에 무의식적으로 모이도록 방치되어 약 20분 동안 임계 이탈이 발생했다. 8명의 작업자가 상당한 노출을 받았으나, 사망자는 없었다.^[6]^[7]	8	0
SL-1, 서쪽 아이다호 폴스	SL-1 실험용 원자력 발전소에서 중앙 제어봉을 부적절하게 수동으로 인출하여 증기 폭발과 노심 해체가 발생, 3명의 작업자가 사망했다.	0	3
마야크	중앙 러시아의 핵연료 처리 센터에서 플루토늄 정제 기술 실험 중, 작업자들이 플루토늄 용액을 잘못된 용기에 따르는 과정에서 임계 사고가 발생했다. 교대 감독자가 치명적인 방사선량을 받고 사망했다.^[15]	1	1
차즈마 만, 블라디보스토크	핵추진 소련 잠수함 K-431의 원자로 재연료 공급 중 임계 상태가 되어 폭발이 발생했다. 10명이 사망하고 49명이 방사선 부상을 입었으며, 넓은 지역이 오염되었다.	49	10
사로프	러시아 연방 핵 센터의 수석 연구원 알렉산드르 자하로프가 임계 사고로 치명적인 선량을 받았다.^[18]^[19]^[20]	0	1

체르노빌 원자력 발전소 사고 4년 후인 1990년 6월 24일부터 7월 1일 사이에는 사고 원자로 304/3호실 내에서 임계 상태에 가까운 중성자 증배 현상이 발생할 조짐이 보이기도 했다.

2011년 후쿠시마 원자력 사고와 관련하여, 일부 전문가들은 일시적인 임계 상태가 발생했을 수 있다고 추측했지만, 확인되지는 않았다.^[24]

4. 1. 대한민국 관련 사례

2007년, 도쿄 전력이나 경제산업성 등의 보고서에 따르면, 일본의 상업용 원자력 발전소에서 1978년^[33]과 1999년^[34]^[35]에 임계 사고가 발생했을 가능성이 있다는 것이 밝혀졌다.

4. 2. 국제적 사례

1945년부터 1999년까지 60건의 임계 사고가 기록되었으며, 이로 인해 21명이 사망했다. 국가별 사망자는 미국 7명, 소련 10명, 일본 2명, 아르헨티나 1명, 유고슬라비아 1명이다. 이 중 9건은 핵물질 처리 시설에서, 나머지는 연구용 원자로에서 발생했다.

다음은 주요 임계 사고 사례를 정리한 표이다.

날짜	장소	설명
1945년 8월 21일	미국 로스 알라모스	해리 다글리언이 플루토늄 구체에 텅스텐 카바이드 벽돌을 떨어뜨려 임계 상태를 만들었다. 다글리언은 방사선 장애로 25일 후 사망했다. 이는 최초의 임계 사고 사망 사례이다.^[2]
1946년 5월 21일	미국 로스 알라모스	루이스 슬로틴이 다글리언 사고에 사용된 플루토늄 구체("데몬 코어")를 이용한 실험 중 베릴륨 반구 덮개가 닫히면서 임계 상태가 발생했다. 슬로틴은 장치를 분해하여 다른 사람들을 구했지만, 9일 후 방사선 중독으로 사망했다.^[3]
1958년 10월 15일	유고슬라비아 빈차	보리스 키드리치 핵 연구소의 중수로에서 임계 이탈이 발생하여 1명이 사망하고 5명이 부상당했다.^[8]
1958년 12월 30일	미국 로스 알라모스	세실 켈리가 플루토늄 정제 작업 중 실수로 대형 혼합 탱크에서 와류를 생성, 플루토늄이 임계 상태에 도달했다. 켈리는 35시간 후 사망했다.^[11]
1964년 7월 24일	미국 로드아일랜드주 우드 리버 정션	핵연료 제조 시설에서 작업자가 실수로 고농도 우라늄 용액을 탄산나트륨 탱크에 넣어 임계가 발생했다. 작업자는 49시간 후 사망했다. 90분 후 두 번째 임계가 발생하여 2명이 추가 피폭되었으나 후유증은 없었다.^[12]
1978년 11월 2일	일본 후쿠시마 제1원자력 발전소 3호기	도쿄전력의 보고에 따르면, 제어봉 5개가 빠져 7시간 30분 동안 임계가 지속되었다. 이 정보는 2007년에야 공개되었다.^[33]
1983년 9월 23일	아르헨티나 콘스티튜엔테스 원자력 연구 센터	연구용 원자로 RA-2에서 기술자가 감속재를 제거하지 않고 연료봉 배치를 변경하다 임계 사고가 발생, 2일 후 사망했다. 다른 2명도 피폭되었다.^[16]
1999년 6월 18일	일본 호쿠리쿠 전력시가 원자력 발전소	제어봉 3개가 빠져 15분간 임계 상태가 되었으나, 호쿠리쿠 전력은 이를 은폐하다 2007년에 밝혀졌다.^[34]^[35]
1999년 9월 30일	일본 이바라키현 도카이 촌	JCO 핵연료 가공 시설에서 작업자들이 질산 우라닐 용액을 침전조에 부어 임계 사고가 발생, 2명이 사망했다. (도카이 촌 JCO 임계 사고)^[21]

해리 다글리언의 1945년 실험을 재연한 플루토늄 구체와 중성자 반사 텅스텐 카바이드 블록

5. 관측되는 현상

임계 사고가 발생하면 몇 가지 현상이 관측된다. 푸른색 섬광이 관측되기도 하고, 일부는 "열파"를 느끼기도 한다.^[30]^[31] 이러한 현상들은 임계 사고의 특징적인 징후이다.

5. 1. 푸른 섬광 (Blue Glow)

많은 임계 사고에서 푸른색 섬광이 방출되는 것으로 관찰되었다.

임계 사고의 푸른 광선은 주변 매질의 들뜬 이온, 원자 및 분자가 비들뜬 상태로 되돌아갈 때 발생하는 형광으로 인해 발생한다.^[28] 이것은 또한 전기 스파크가 번개를 포함하여 공기 중에서 전기 파란색으로 보이는 이유이기도 하다. 오존 냄새는 체르노빌 사고 처리반에 의해 높은 주변 방사능의 징후라고 언급되었다.

이 푸른 섬광 또는 "푸른 광선"은 임계 시스템에 물이 포함되어 있거나 푸른 섬광이 인간의 눈으로 경험될 때 체렌코프 복사로도 기인할 수 있다. 또한, 이온화 방사선이 눈의 유리체를 직접 관통하면 체렌코프 복사가 생성되어 시각적인 푸른 광선/스파크 감각으로 인식될 수 있다.

체렌코프 빛과 이온화된 공기에서 방출되는 빛의 색상이 매우 유사한 파란색이라는 것은 우연의 일치이며, 생성 방식은 다르다. 체렌코프 복사는 우주선에서 나오는 입자 샤워와 같은 고에너지 입자의 경우 공기 중에서 발생하지만^[29] 핵 붕괴에서 방출되는 저에너지 하전 입자의 경우에는 발생하지 않는다.

5. 2. 열 효과 (Heat Effects)

일부 사람들은 임계 사고 발생 시 "열파"를 느꼈다고 보고했다.^[30]^[31] 이것이 방금 발생한 상황(즉, 치명적인 방사선량으로 인한 불가피한 죽음의 높은 가능성)에 대한 정신신체 반응인지, 아니면 임계 사고에서 방출된 방사선으로 인한 발열(또는 피부의 열 감지 신경의 비열 자극)의 물리적 효과인지는 알려져 있지 않다.

목격자의 증언이 있는 모든 임계 사고를 검토한 결과, 열파는 형광 청색 광선(비체렌코프 빛)이 관찰될 때만 관찰되었다. 이는 둘 사이에 가능한 관계가 있음을 시사하며, 실제로 하나를 잠재적으로 식별할 수 있다. 밀도가 높은 공기에서 질소와 산소의 방출선의 30% 이상이 자외선 범위에 있고 약 45%가 적외선 범위에 있다. 가시광선 범위는 약 25%에 불과하다. 피부는 피부 표면을 가열하여 빛(가시광선이든 아니든)을 느끼기 때문에 이 현상이 열파 인식을 설명할 수 있다.^[32] 그러나 이 설명은 확인되지 않았으며 목격자가 보고한 빛의 강도와 감지된 열의 강도가 일치하지 않을 수 있다. 인간이 이러한 사건을 목격하고 자신의 경험과 관찰에 대한 상세한 설명을 제공할 수 있을 정도로 오래 생존한 사례가 거의 없어 추가 연구가 어렵다.

6. 대중문화 속 임계 사고

대중문화에서 임계 사고를 다룬 작품은 다음과 같다.

핵 문제 관련 영화 목록
더 비기닝 오어 더 엔드
데이 원 (1989년 영화)
엣지 오브 다크니스
팻 맨 앤 리틀 보이
인피니티 (1996년 영화)
메리디안 (''스타게이트 SG-1'')
''1000가지 죽는 방법''

참조

_[1] 간행물 "In this excursion, three people received radiation doses in the amounts of 66, 66, and 7.4 [[Röntgen equivalent physical|rep]].", LA Appendix A: "rep: An obsolete term for absorbed dose in human tissue, replaced by [[Rad (unit)|rad]]. Originally derived from roentgen equivalent, physical."
_[2] 간행물 "His dose was estimated as 510 [[Röntgen equivalent man|rem]]"
_[3] 웹사이트 The blue flash http://blog.nuclears[...] 2016-06-29
_[4] 문서 Declassified report https://web.archive.[...] 2012-08-13
_[5] 간행물 "The eight people in the room received doses of about 2100, 360, 250, 160, 110, 65, 47, and 37 [[Röntgen equivalent man|rem]]."
_[6] 문서 Y-12’s 1958 nuclear criticality accident and increased safety https://web.archive.[...] 2015-10-13
_[7] 문서 Criticality accident at the Y-12 plant https://web.archive.[...] 2011-06-29
_[8] 간행물 "Radiation doses were intense, being estimated at 205, 320, 410, 415, 422, and 433 [[Röntgen equivalent man|rem]]. Of the six persons present, one died shortly afterward, and the other five recovered after severe cases of radiation sickness."
_[9] 웹사이트 Vinca reactor accident, 1958 http://www.johnstons[...] 2011-01-02
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_[29] 웹사이트 Science http://imagine.gsfc.[...] 2016-12-07
_[30] 간행물 "the operator saw a flash of light and felt a pulse of heat."
_[31] 간행물 "There was a flash, a shock, a stream of heat in our faces."
_[32] 논문 "Criticality Accidents and the Blue Glow"
_[33] 간행물 東京電力（株）における制御棒引き抜き事象に係る調査状況について（志賀1号機事故関連第5報） http://www.meti.go.j[...] 経済産業省 2007-03-22
_[34] 간행물 北陸電力株式会社志賀原子力発電所1号機における平成11年の臨界事故及び制御棒の想定外の引き抜け事象への対応について（第7報） http://www.meti.go.j[...] 経済産業省 2007-04-06
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_[38] 웹사이트 http://www.kiae.ru/r[...]
_[39] 웹사이트 http://www.nndc.bnl.[...]
_[40] 저널 알기쉬운원자력안전 http://www.kins.re.k[...] 2012-08-01

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