クリティカルマスとは

臨界質量は、核物質を議論するときに出くわす概念です。 手短に言えば、物質の臨界質量は、核反応が始まってから核反応を続けるのに必要な量です。

核物質にはさまざまな種類があり、1つは核分裂性物質として知られています。 核分裂性物質は、いったん開始すると反応を維持できます。 反応を持続できるため、特定の目的に使用できます。 これらの目的には、核兵器の作成、およびエネルギーを生成するための原子炉の作成が含まれます。 最も広く使用されている核分裂性物質は、ウラン233、ウラン235、およびプルトニウム239です。 これらの3つの物質は核分裂性物質の基準を満たし、適度に長く滞在し、燃料に実用的に使用するのに十分な量で見つけることができます。

核反応のプロセスはやや複雑ですが、単に指数関数的に成長する反応と見なすことができます。 反応では、核分裂性物質の原子（ウラン235など）が中性子を通過します。 これにより、原子は2つの小さな原子に分割され、その過程でさらに2つまたは3つの中性子が放出されます。 その後、これらの中性子は飛び去り、ウラン235の他の原子に捕捉され、さらに2つまたは3つの中性子が分裂して放出されます。 これらはすべて非常に短い時間で起こり、膨大な量のエネルギーを放出します。

臨界質量の概念は重要です。なぜなら、この反応が継続して大量のエネルギーを放出するためには、継続できる核分裂性物質が十分に存在する必要があるからです。 臨界質量が達成されない場合、存在する中性子は時間とともに減少し、時間の経過とともに核反応がますます少なくなります。 厳密に言えば、臨界質量という用語は、中性子の量をほぼ同じに保つのに十分な核分裂性物質が存在するが、反応がそれ以上生成しない平衡状態を表すために使用されます。 しかし、多くの場合、中性子が核分裂性原子と衝突し続け、より多くの中性子を放出し、エネルギーと熱を生成するのに十分な材料が存在する場合、臨界質量はより正確に超臨界質量と呼ばれるものを記述するために使用されます。

核兵器で核分裂性物質を使用するには、物質を臨界質量以下に保つことが明らかに重要です。さもないと、爆弾はすぐに爆発します。 通常、2つの材料は未臨界の質量で離れた状態に保たれ、爆弾が爆発する時間になると、それらは非常に激しく非常に迅速に一緒に投げられます。 その後、超臨界質量を作成し、爆弾が爆発します。 それらが十分に速く一緒に投げられない場合、小さな爆発が最初に発生し、2つの破片をさらに吹き飛ばし、大きな爆発が発生しないようにします。これはしばしばフィズルと呼ばれます。

臨界質量は、使用する材料によって異なります。 ウラン233の場合、臨界質量は約35ポンド（15 kg）です。 ウラン235の場合、臨界質量は約115ポンド（52kg）です。 また、プルトニウム239の場合、臨界質量は約22ポンド（10kg）です。 これはかなりのように思えるかもしれませんが、これらの材料は非常に高密度であることを覚えておいてください。 ほとんどの核物質では、野球よりも大きくない球体が臨界質量に達し、巨大な爆発を引き起こします。