臨界事故

臨界事故とは、偶発的に発生する制御不能な核分裂連鎖反応のことです。臨界逸脱、臨界出力逸脱、分岐連鎖反応、あるいは単に臨界と呼ばれることもあります。このような事故は、濃縮ウランやプルトニウムなどの核分裂性物質が意図せず臨界量に達したり、配置されたりすることによって発生します。臨界事故は、防護措置が講じられていない環境で発生した場合、致命的な放射線量を放出する可能性があります。

通常の状況下では、臨界または超臨界核分裂反応（出力が自己維持される、あるいは出力が増加する反応）は、原子炉炉心や適切な試験環境など、安全に遮蔽された場所でのみ発生するはずです。臨界事故は、例えば安全でない環境下や原子炉の保守作業中に、意図せず同じ反応が発生した場合に起こります。

臨界質量は、周辺地域にいる人間にとって危険で、しばしば致命的となるものの、核分裂爆弾が設計するような大規模な核爆発を引き起こす能力はない。これは、核弾頭を作るために必要な設計上の特徴が偶然に生じることはないからである。場合によっては、連鎖反応によって放出される熱により、核分裂性物質（および近隣の他の物質）が膨張する。そのような場合、連鎖反応は低出力の定常状態に落ち着くか、一時的または永久的に停止する（臨界未満状態になる）可能性がある。

原子力開発の歴史において、少なくとも60件の臨界事故が発生しており、そのうち22件は原子炉炉心や実験装置以外のプロセス環境で、38件は小型実験炉やその他の試験装置で発生している。原子炉外で発生するプロセス事故は大量の放射線放出が特徴であるが、放出は局所的である。しかしながら、これらの事故の近くにいた人々に致命的な放射線被ばくが発生し、20人以上が死亡している。原子炉や臨界実験装置の事故の中には、放出されたエネルギーによって重大な機械的損傷や蒸気爆発を引き起こしたものもある。^{[ 1 ]}

臨界状態とは、十分な量の核分裂性物質（臨界質量）が小さな体積内に蓄積され、核分裂ごとに平均して1個の中性子が生成され、それが別の核分裂性原子に衝突してさらに核分裂を引き起こす状態を指します。これにより、核分裂連鎖反応が物質の塊の中で自己持続的になります。言い換えれば、臨界質量では、時間内に放出される中性子の数と、別の原子核に捕獲される、あるいは環境に放出される中性子の数が正確に等しくなります。質量が超臨界状態になると、単位時間あたりに放出される中性子の数が吸収または放出される中性子の数を上回り、核分裂の連鎖反応が加速的に起こります。

臨界は、金属ウランやプルトニウム、液体溶液、粉末スラリーを使用することで達成できます。連鎖反応は、MAGIC MERV（質量、吸収、形状、相互作用、濃度、減速、濃縮、反射、体積）^{[ 2 ]}およびMERMAIDS（質量、濃縮、反射、減速、吸収、相互作用、密度、形状）^{[ 3 ]}という略語で表されるさまざまなパラメータによって影響を受けます。温度も臨界の要因です。

計算を行うことで、質量、形状、濃度など、臨界状態に必要な条件を決定できます。民生施設や軍事施設で核分裂性物質を取り扱う場合、特別に訓練された人員がこれらの計算を行い、計画された通常運転時および発生確率が無視できない（合理的に予見可能な事故）あらゆる潜在的なプロセス異常時において、臨界事故を防止するために合理的に実行可能なすべての措置が講じられるようにします。

臨界質量に達すると核連鎖反応が起こり、空間と時間にわたって中性子数が指数関数的に増加し、中性子束が増大します。この中性子束の増加とそれに伴う核分裂率によって、中性子とガンマ線の両方の成分を含む放射線が発生し、保護されていない近隣の生命体にとって極めて危険です。中性子数の変化率は、中性子生成時間（中性子数、臨界状態、および核分裂性物質に固有の値）に依存します。

核分裂では、平均して1回の核分裂につき約2.5個の中性子が生成されます。^{[ 4 ]}したがって、安定した、まさに臨界の連鎖反応を維持するには、1回の核分裂につき1.5個の中性子がシステムから漏れ出すか、それ以上の核分裂を引き起こすことなく吸収される必要があります。

核分裂によって放出される中性子 1,000 個ごとに、少数の遅発中性子（通常は約 7 個以下）が、遅発中性子放出体と呼ばれる核分裂生成物の前駆物質から放出される。この遅発中性子の割合は、ウランの場合 0.007 程度であり、原子炉における中性子連鎖反応の制御に不可欠である。これは「反応度 1 ドル」と呼ばれる。遅発中性子の寿命は、核分裂後、数秒からほぼ 100 秒までである。中性子は通常、6 つの遅発中性子グループに分類される。^{[ 4 ]}遅発中性子を考慮した中性子の平均寿命は約 0.1 秒であり、これにより連鎖反応は時間とともに比較的容易に制御できる。残りの 993 個の即発中性子は、核分裂イベント後約 1 μs で非常に速やかに放出される。

定常運転時、原子炉は臨界状態において運転されます。臨界点（中性子生成率と吸収および漏洩による中性子損失率が釣り合う点）を少なくとも1ドル以上上回る反応度を加えると、連鎖反応は遅発中性子に依存しなくなります。このような場合、中性子数は即発中性子寿命と呼ばれる非常に短い時定数で指数関数的に急速に増加する可能性があります。つまり、非常に短い時間で中性子数が大幅に増加することになります。各核分裂反応は約200 MeVのエネルギーを放出するため、これは「即発臨界スパイク」として非常に大きなエネルギーバーストを引き起こします。このスパイクは、適切に設置された放射線量測定装置や「臨界事故警報システム」検出器によって容易に検出できます。

臨界事故は、以下の2つのカテゴリーに分類されます。

• プロセス事故とは、あらゆる危機的状況を防止するために設けられている制御システムが破られた場合に発生する事故である。
• 原子炉事故とは、原子力発電所、原子炉、核実験など、臨界状態に達するか、臨界状態に近づくことを目的とした場所で、運転員のミスやその他の意図しない事象（メンテナンス中や燃料装填中など）によって^{発生する事故のことである。 [ 1 ]}チェルノブイリ原発事故は実際には非常に大きな出力の臨界事故であったが、臨界状態を逸脱した後に炉心が完全に溶融した発電所であったため、通常は原子炉メルトダウン事故に分類される。

遠征の種類は、時間の経過に伴う変化の性質を示す4つのカテゴリーに分類できます。

1. 即時の臨界逸脱
2. 一時的な臨界逸脱
3. 指数関数的な変動
4. 定常状態変動

即発臨界逸脱は、前述のように、初期に即発臨界スパイクを伴う出力履歴によって特徴付けられ、これは自己終結するか、または長期間にわたって減少するテール領域を伴って継続します。過渡臨界逸脱は、初期即発臨界逸脱の後に継続または繰り返されるスパイクパターン（「チャギング」と呼ばれることもあります）によって特徴付けられます。22件のプロセス事故のうち最長のものは、1962年にハンフォード工場で発生し、37.5時間続きました。1999年の東海村原子力事故は、積極的な介入によって停止されるまで、約20時間臨界状態が続きました。指数関数的逸脱は、1ドル未満の反応度によって特徴付けられ、フィードバック効果または介入によって反応度が減少するまで、中性子数が時間とともに指数関数的に増加します。指数関数的な変動は、ピーク電力レベルに達した後、時間とともに減少するか、定常状態の電力レベルに達する可能性があり、その場合、「定常状態」の変動では臨界状態が正確に達成されます。

定常状態への逸脱は、核分裂によって発生する熱と周囲環境への熱損失が釣り合っている状態でもある。この逸脱は、約17億年前にアフリカのガボンにあるウラン鉱床内で自然に形成されたオクロ天然原子炉によって特徴づけられる。 

最新の推定によると、1945年から1999年の間に世界中で67件の臨界事故が発生しており、それ以降は確認されていない。これらの事故は、核兵器の炉心、​​研究用原子炉、商業用原子炉、および海軍用原子炉に関する実験および製造中に発生した。

2000年のロスアラモス研究所の報告書^{[ 1 ]}によると、1945年から1999年の間に60件の臨界事故が発生した。これらの事故により21人が死亡した。内訳は、米国で7人、ソ連で10人、日本で2人、アルゼンチンで1人、ユーゴスラビアで1人である。9件はプロセス事故によるもので、残りは原子炉や臨界実験の事故によるものである。

ロスアラモス研究所はまた、原子炉および臨界実験の事故を物質別に分類した。核分裂性溶液で5件、裸金属および反射金属系で15件、減速金属および酸化物系で13件、その他の系で5件である。

2014年のネバダ大学の報告書は、ロスアラモス報告書に含まれていなかった2000年以前の臨界事故がさらに7件あったことを明らかにした。そのうち5件はソ連の原子力潜水艦の原子炉の保守と燃料交換中に発生し、2件は日本の商用原子炉の試験中に発生し、2007年まで隠蔽されていた。^{[ 5 ]}

以下の表は、十分に記録された事例の一部を示しています。

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  ハリー・ダグリアンの1945年の実験を再現した、中性子反射タングステンカーバイドブロックに囲まれたプルトニウムの球体^{[ 37 ]}
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  スロティン事件の再現。プルトニウム製の「悪魔の核」（ダグリアン事件と同じもの）は事故当時内部にあり、外からは見えない状態だった。
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  スクラム（安全）構成のレディ・ゴディバアセンブリ^{[ 38 ]}
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  1954年2月の遠征後に支柱が損傷したレディ・ゴディバ像。画像は異なる像であることに注意。^{[ 38 ]}

2024年6月現在 1999年の東海村原子力発電所事故以降、臨界事故は確認されていない。^{[ 39 ]} 2011年の福島原子力発電所事故と2019年のニョノクサ放射線事故では、臨界が疑われた。

さらに、米国務省は2020年に、ロシアと恐らく中国が1996年から2019年まで超臨界を伴う秘密の地下実験を行っており、それによって無収量基準、包括的核実験禁止条約、そして恐らく閾値核実験禁止条約に違反していると主張した。^{[ 40 ]}このような実験はニョノクサでの事故と同様の事故につながった可能性がある。

• 重要度（ステータス）
• 原子力および放射線事故・インシデント
• 原子力臨界安全性

• ジョンストン、ウィリアム・ロバート。放射線事故一覧
• McLaughlin 他著「臨界事故のレビュー」 （ロスアラモス国立研究所、報告書番号 LA-13638）、2000年5月。対象地域は米国、ロシア、英国、日本。この報告書は、本報告書で参照されている文書の入手を試みるこのページでも閲覧可能。

• ロスアラモス国立研究所による臨界事故に関する報告書についてのプレスリリース
• 1971年の米国による、これまでの臨界事故に関する報告書