Wat is kritische massa?
Kritische massa is een concept dat men tegenkomt bij de bespreking van nucleair materiaal. Kortom, de kritische massa van een materiaal is de hoeveelheid die nodig is om een nucleaire reactie voort te zetten wanneer het eenmaal is begonnen.
Er zijn verschillende soorten nucleair materiaal en één type staat bekend als een splijtbaar materiaal. Splijtbare materialen zijn in staat om een reactie te houden zodra het is begonnen. Omdat de reactie kan worden volgehouden, kan het materiaal voor bepaalde doeleinden worden gebruikt. Deze doeleinden omvatten het maken van kernwapens en het creëren van reactoren om energie op te wekken. De meest gebruikte splijtstoffen zijn Uranium-233, Uranium-235 en Plutonium-239. Deze drie materialen voldoen aan de criteria van een splijtbaar materiaal, blijven redelijk lang in de buurt en zijn in voldoende grote hoeveelheden te vinden om het gebruik ervan als brandstof praktisch te maken.
Het proces van een kernreactie is enigszins complex, maar kan eenvoudig worden gezien als een reactie die exponentieel groeit. In een reactie vangt een atoom van het splijtbare materiaal - laten we zeggen Uranium-235 - een neutron op als het voorbij komt. Dit splitst het atoom in twee kleinere atomen en lanceert daarbij twee of drie meer neutronen. Deze neutronen vliegen dan weg en worden gevangen door andere atomen van Uranium-235, die op hun beurt splitsen en nog twee of drie neutronen uitzenden. Dit alles gebeurt in een zeer, zeer korte tijd en geeft enorme hoeveelheden energie vrij.
Het concept van kritische massa is belangrijk, want om deze reactie te laten doorgaan en enorme hoeveelheden energie vrij te laten, moet er voldoende splijtbaar materiaal aanwezig zijn om door te kunnen gaan. Als de kritische massa niet wordt bereikt, nemen de aanwezige neutronen in de loop van de tijd af, waardoor een nucleaire reactie in de loop van de tijd steeds minder waarschijnlijk wordt. Strikt genomen wordt de term kritische massa gebruikt om de evenwichtstoestand te beschrijven waarin voldoende splijtbaar materiaal aanwezig is om de hoeveelheid neutronen ongeveer hetzelfde te houden, maar de reactie genereert niet meer. Vaak wordt echter kritische massa gebruikt om te beschrijven wat nauwkeuriger superkritische massa wordt genoemd, wanneer voldoende van het materiaal aanwezig is dat neutronen blijven botsen met splijtbare atomen en meer neutronen vrijgeven, waardoor energie en warmte worden gegenereerd.
Om splijtbaar materiaal in een kernwapen te gebruiken, is het uiteraard belangrijk dat het materiaal onder de kritische massa wordt gehouden - anders zou de bom onmiddellijk ontploffen. Gewoonlijk worden twee stukken materiaal uit elkaar gehouden op een subkritische massa, en wanneer het tijd is om de bom tot ontploffing te brengen, worden ze heel hard en zeer snel samengegooid. Ze creëren vervolgens een superkritische massa en de bom explodeert. Als ze niet snel genoeg in elkaar worden gegooid, vindt eerst een kleinere explosie plaats en blaast de twee stukken verder uit elkaar, zodat de grote explosie nooit optreedt - dit wordt vaak een fizzle genoemd.
De kritische massa is verschillend, afhankelijk van het gebruikte materiaal. In het geval van Uranium-233 is de kritische massa ongeveer 35 pond (15kg). In het geval van Uranium-235 is de kritische massa ongeveer 115 pond (52kg). En in het geval van Plutonium-239 is de kritische massa ongeveer 22 pond (10 kg). Dit lijkt misschien nogal wat, maar houd er rekening mee dat deze materialen extreem dicht zijn. Bij de meeste nucleaire materialen zal een bol die niet veel groter is dan een honkbal een kritische massa bereiken en een enorme explosie veroorzaken.