Masa krytyczna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Ujednoznacznienie Ten artykuł dotyczy pojęcia stosowanego w fizyce. Zobacz też: artykuł o ruchu społecznym.

Masa krytyczna materiału rozszczepialnego – minimalna masa, w której reakcja rozszczepienia przebiega w sposób łańcuchowy, czyli każde jedno rozszczepienie jądra atomowego inicjuje dokładnie jedno następne rozszczepienie. W masie mniejszej od masy krytycznej reakcja zainicjowana rozszczepieniem spontanicznym zaniknie, w masie większej od masy krytycznej reakcja będzie przebiegała w sposób lawinowy, tzn. jedno rozszczepienie wywoła więcej niż jedno rozszczepienie.

W materiale rozszczepialnym reakcja rozszczepienia może zajść w wyniku samorzutnego rozszczepienia jądra atomowego. W wyniku tego aktu rozszczepienia emitowane jest kilka neutronów; Część z tych neutronów opuści materiał, część zostanie pochłonięta przez jądra nie ulegające rozszczepieniu, a niektóre wywołają rozszczepienie następnego jądra.

Masa krytyczna danego materiału rozszczepialnego zależy od zanieczyszczeń, kształtu próbki, oraz jej otoczenia. Najmniejszą masę ma próbka o kształcie kuli otoczonej materiałem odbijającym i moderującym neutrony.

Masa krytyczna dla kuli, nie otoczonej innymi substancjami, dla czystego izotopu uranu 235 wynosi 52 kg, zaś dla plutonu (238 i 239) jest to 10 kg. Pluton w postaci tlenku plutonu ma masę krytyczną około 25 kg. Dla kuli otoczonej ekranem odbijającym neutrony, masa ta jest mniejsza i zależy od materiału ekranu. Przykładowo dla plutonu 238 otoczonego wodą 7,4 kg, a stalą – 4,9 kg.

Orientacyjne masy krytyczne materiału ułożonego w kształcie kuli nie otoczonej substancją odbijającą neutrony dla wybranych izotopów:

Rozpad jądra uranu wg reakcji: {}^{235}_{92}\text{U} \rarr {}^{92}_{37}\text{Rb} + {}^{140}_{55}\text{Cs} + 3 {}^1_0 \text{n}
  • uran-233: 16 kg
  • uran-235: 52 kg
  • neptun-237: 60 kg
  • pluton-239: 10 kg
  • pluton-240: 40 kg
  • pluton-242: 100 kg
  • ameryk-241: 60-100 kg
  • ameryk-242: 9-18 kg
  • ameryk-243: 50-150 kg
  • kiur-245: 12 kg
  • kiur-246: 70 kg
  • kiur-247: 7 kg
  • kaliforn-251: 9 kg[1]

Nieprawdą jest pospolicie głoszony pogląd, że „reakcja rozszczepienia zachodzi dla masy równej lub większej masie krytycznej”, jeżeli masa jest mniejsza od masy krytycznej, każde rozszczepienie spontaniczne może wywołać kilka, kilkanaście a może i więcej rozpadów wymuszonych pochłonięciem neutronów, ale w końcu dojdzie do sytuacji, że wszystkie neutrony uciekną z materiału rozszczepialnego lub zostaną pochłonięte przez nierozszczepialne jądra.

W reaktorach jądrowych pojęcie masy krytycznej nie jest ściśle określone, z powodu stosowania ekranów i regulowanych moderatorów. Ekrany odbijają neutrony z powrotem w kierunku materiału rozszczepialnego, a moderator spowalnia neutrony, dzięki czemu zwiększa się prawdopodobieństwo, że spowodują one kolejne rozszczepienie. Zatem masa potrzebna do stabilnej pracy reaktora zależy od jego konstrukcji.

W wyniku umieszczenia w jednym miejscu masy większej niż masa krytyczna reakcja będzie przebiegać w sposób lawinowy, co pociągnie za sobą wydzielenie olbrzymich ilości energii, która spowoduje rozprzestrzenienie się reagujących materiałów i zatrzymanie reakcji rozszczepienia. Na tej zasadzie działa bomba atomowa.

Przypisy