Hva er kritisk masse?

Kritisk masse er et konsept man kommer over når man diskuterer kjernefysisk materiale. Kort sagt, den kritiske massen til et materiale er mengden som trengs for at det skal fortsette en kjernefysisk reaksjon når det først har startet.

Det er forskjellige typer kjernefysiske materialer, og en type er kjent som et spaltbart materiale. Fissile materialer kan opprettholde en reaksjon når den har begynt. Siden reaksjonen kan opprettholdes, kan materialet brukes til visse formål. Disse formålene inkluderer å lage atomvåpen og å lage reaktorer for å generere energi. De mest brukte fissile materialene er Uranium-233, Uranium-235 og Plutonium-239. Disse tre materialene oppfyller kriteriene for et fisjonerbart materiale, holder seg i rimelig lang tid og kan finnes i tilstrekkelig store mengder til å gjøre det mulig å bruke dem til drivstoffpraksis.

Prosessen med en kjernefysisk reaksjon er noe sammensatt, men den kan ganske enkelt sees på som en reaksjon som vokser eksponentielt. I en reaksjon fanger et atom av spaltbart materiale - la oss si Uranium-235 - et nøytron når det beveger seg forbi. Dette fører til at atomet splitter seg i to mindre atomer, og i prosessen lanserer to eller tre flere nøytroner. Disse nøytronene flyr deretter av og blir tatt til fange av andre atomer i Uranium-235, som igjen splitter og sender av gårde to eller tre nøytroner til. Alt dette skjer på veldig, veldig liten tid, og frigjør enorme mengder energi.

Konseptet med kritisk masse er viktig, for for at denne reaksjonen skal fortsette og frigjøre enorme mengder energi, må det være tilstrekkelig fissilt materiale til stede for at det kan fortsette. Hvis kritisk masse ikke oppnås, vil nøytronene som er til stede overtid redusere, noe som gjør en kjernefysisk reaksjon mindre og mindre sannsynlig over tid. Strengt tatt brukes begrepet kritisk masse for å beskrive likevektstilstanden der det er tilstrekkelig fissilt materiale til stede for å holde mengden nøytroner omtrent den samme, men reaksjonen genererer ikke mer. Ofte brukes imidlertid kritisk masse for å beskrive det som mer nøyaktig kalles superkritisk masse, når nok av materialet er til stede for at nøytroner fortsetter å kollidere med fissile atomer og frigjøre flere nøytroner, generere energi og varme.

For å bruke fissilt materiale i et atomvåpen er det åpenbart viktig at materialet holdes under kritisk masse - ellers ville bomben detonert umiddelbart. Vanligvis holdes to deler av materialet fra hverandre i underkritisk masse, og når det er på tide at bomben blir detonert, blir de kastet veldig hardt og veldig raskt sammen. De oppretter da en superkritisk masse, og bomben eksploderer. Hvis de ikke blir kastet sammen raskt nok, skjer først en mindre eksplosjon og blåser de to bitene lenger fra hverandre, slik at den store eksplosjonen aldri oppstår - dette blir ofte referert til som en mas.

Kritisk masse er forskjellig avhengig av materialet som brukes. Når det gjelder Uran-233, er den kritiske massen omtrent 15 kg. Når det gjelder Uran-235, er den kritiske massen omtrent 52 kg. Og i tilfellet Plutonium-239, er den kritiske massen omtrent 10 kg. Dette kan virke som ganske mye, men husk at disse materialene er ekstremt tette. Med de fleste kjernefysiske materialer vil en sfære som ikke er mye større enn en baseball nå kritisk masse, og forårsake en enorm eksplosjon.