Was ist kritische Masse?
Kritische Masse ist ein Konzept, auf das man bei der Diskussion von Kernmaterial stößt. Kurz gesagt ist die kritische Masse eines Materials die Menge, die erforderlich ist, um eine Kernreaktion fortzusetzen, sobald sie begonnen hat.
Es gibt verschiedene Arten von Kernmaterialien und eine Art ist als spaltbares Material bekannt. Spaltbare Materialien können eine Reaktion aufrechterhalten, sobald sie begonnen hat. Da die Reaktion aufrechterhalten werden kann, kann das Material für bestimmte Zwecke verwendet werden. Zu diesen Zwecken gehören die Herstellung von Atomwaffen und die Herstellung von Reaktoren zur Energieerzeugung. Die am häufigsten verwendeten spaltbaren Materialien sind Uran-233, Uran-235 und Plutonium-239. Diese drei Materialien erfüllen die Kriterien eines spaltbaren Materials, bleiben einigermaßen lange bestehen und können in ausreichend großen Mengen gefunden werden, um ihre Verwendung als Brennstoff praktisch zu machen.
Der Prozess einer Kernreaktion ist etwas komplex, kann aber einfach als exponentiell wachsende Reaktion betrachtet werden. In einer Reaktion fängt ein Atom des spaltbaren Materials - sagen wir Uran-235 - ein Neutron ein, während es sich vorbeibewegt. Dies bewirkt, dass sich das Atom in zwei kleinere Atome aufspaltet und dabei zwei oder drei weitere Neutronen abschießt. Diese Neutronen fliegen dann ab und werden von anderen Atomen von Uran-235 eingefangen, die sich wiederum spalten und zwei oder drei weitere Neutronen aussenden. All dies geschieht in sehr kurzer Zeit und setzt enorme Mengen an Energie frei.
Das Konzept der kritischen Masse ist wichtig, denn um diese Reaktion fortzusetzen und enorme Energiemengen freizusetzen, muss genügend spaltbares Material vorhanden sein, damit es fortgesetzt werden kann. Wird die kritische Masse nicht erreicht, nehmen die vorhandenen Neutronen mit der Zeit ab, wodurch eine Kernreaktion mit der Zeit immer unwahrscheinlicher wird. Genau genommen wird der Begriff kritische Masse verwendet, um den Gleichgewichtszustand zu beschreiben, in dem genügend spaltbares Material vorhanden ist, um die Neutronenmenge ungefähr gleich zu halten, aber die Reaktion erzeugt nicht mehr. Häufig wird jedoch die kritische Masse verwendet, um das zu beschreiben, was genauer als überkritische Masse bezeichnet wird, wenn genügend Material vorhanden ist, dass Neutronen weiterhin mit spaltbaren Atomen kollidieren und mehr Neutronen freisetzen, wodurch Energie und Wärme erzeugt werden.
Um spaltbares Material in einer Atomwaffe zu verwenden, ist es offensichtlich wichtig, dass das Material unter der kritischen Masse gehalten wird - sonst würde die Bombe sofort explodieren. In der Regel werden zwei Materialstücke bei einer unterkritischen Masse auseinandergehalten, und wenn die Bombe gezündet werden muss, werden sie sehr hart und sehr schnell zusammengeschleudert. Sie erzeugen dann eine überkritische Masse und die Bombe explodiert. Wenn sie nicht schnell genug zusammengeworfen werden, passiert zuerst eine kleinere Explosion, die die beiden Teile weiter voneinander entfernt, sodass die große Explosion niemals auftritt - dies wird oft als Sprudeln bezeichnet.
Die kritische Masse ist je nach verwendetem Material unterschiedlich. Im Fall von Uran-233 beträgt die kritische Masse etwa 15 kg. Im Fall von Uran-235 beträgt die kritische Masse ungefähr 115 Pfund (52 kg). Und im Fall von Plutonium-239 beträgt die kritische Masse etwa 10 kg. Dies mag ziemlich viel erscheinen, aber denken Sie daran, dass diese Materialien extrem dicht sind. Bei den meisten Kernmaterialien erreicht eine Kugel, die nicht viel größer als ein Baseball ist, die kritische Masse und verursacht eine enorme Explosion.