Co je kritická hmotnost?
Kritická masa je koncept, s nímž se setkáváme při diskusi o jaderném materiálu. Stručně řečeno, kritická hmotnost materiálu je množství potřebné k tomu, aby pokračovalo v jaderné reakci, jakmile začne.
Existují různé typy jaderných materiálů a jeden typ je známý jako štěpný materiál. Štěpné materiály jsou schopny udržet reakci, jakmile začne. Protože reakce může být udržována, může být materiál použit pro určité účely. Tyto účely zahrnují výrobu jaderných zbraní a vytváření reaktorů pro výrobu energie. Nejpoužívanější štěpné materiály jsou uran-233, uran-235 a plutonium-239. Tyto tři materiály splňují kritéria štěpného materiálu, zůstávají v okolí po poměrně dlouhou dobu a lze je nalézt v dostatečném množství, aby bylo jejich použití pro palivo praktické.
Proces jaderné reakce je poněkud složitý, ale lze na něj pohlížet jednoduše jako na reakci, která roste exponenciálně. V reakci atom atom štěpného materiálu - řekněme Uran-235 - zachycuje neutron, když se pohybuje kolem. To způsobí, že se atom rozdělí na dva menší atomy a v tomto procesu se uvolní dva nebo tři další neutrony. Tyto neutrony pak odlétají a jsou zachyceny jinými atomy Uranu-235, které se zase dělí a vysílají dva nebo tři další neutrony. To vše se děje ve velmi, velmi malém množství času a uvolňuje obrovské množství energie.
Koncept kritického množství je důležitý, protože aby tato reakce mohla pokračovat a uvolňovat obrovské množství energie, musí být k dispozici dostatek štěpného materiálu, aby mohla pokračovat. Pokud není dosaženo kritické hmotnosti, pak se přítomné neutrony v průběhu času sníží, což povede k menší a menší pravděpodobnosti jaderné reakce v průběhu času. Přísně vzato, termín kritická hmota se používá k popisu stavu rovnováhy, ve kterém je dostatek štěpného materiálu, který udržuje množství neutronů zhruba stejné, ale reakce nevytváří více. Často se však kritická hmota používá k popisu toho, co se přesněji nazývá superkritická hmota, když je přítomno dost materiálu, že neutrony pokračují ve střetu s štěpnými atomy a uvolňují další neutrony, čímž se generuje energie a teplo.
Pro použití štěpného materiálu v jaderné zbrani je samozřejmě důležité, aby byl materiál udržován pod kritickou hmotou - jinak by bomba okamžitě vybuchla. Obvykle jsou dva kusy materiálu drženy odděleně při podkritické hmotnosti a když je čas na výbuch bomby, jsou velmi tvrdě a velmi rychle svrženy. Poté vytvoří superkritickou masu a bomba exploduje. Nejsou-li dostatečně rychle svrženy dohromady, nastane nejprve menší exploze a tyto dva kusy fouká dále od sebe, takže k velké explozi nikdy nedojde - to se často označuje jako šumění.
Kritická hmotnost se liší v závislosti na použitém materiálu. V případě uranu 233 je kritická hmotnost asi 15 kilogramů. V případě uranu-235 je kritická hmotnost asi 115 kg (52 kg). A v případě Plutonia 239 je kritická hmotnost asi 22 kg (10 kg). To se může zdát docela dost, ale mějte na paměti, že tyto materiály jsou velmi husté. U většiny jaderných materiálů dosáhne koule ne mnohem větší než baseball kritické množství a způsobí obrovskou explozi.