Co to jest masa krytyczna?
Masa krytyczna to koncepcja, na którą można się natknąć podczas dyskusji na temat materiału jądrowego. W skrócie, masa krytyczna materiału to ilość potrzebna do kontynuacji reakcji jądrowej po jego rozpoczęciu.
Istnieją różne rodzaje materiałów jądrowych, a jeden z nich jest znany jako materiał rozszczepialny. Materiały rozszczepialne są w stanie wytrzymać reakcję po jej rozpoczęciu. Ponieważ reakcja może być przedłużona, materiał można wykorzystać do pewnych celów. Cele te obejmują wytwarzanie broni jądrowej i tworzenie reaktorów do generowania energii. Najczęściej stosowanymi materiałami rozszczepialnymi są uran-233, uran-235 i pluton-239. Te trzy materiały spełniają kryteria materiału rozszczepialnego, pozostają na względnie długi czas i można je znaleźć w wystarczająco dużych ilościach, aby wykorzystanie ich jako paliwa było praktyczne.
Proces reakcji jądrowej jest nieco złożony, ale można go po prostu postrzegać jako reakcję, która rośnie wykładniczo. W reakcji atom materiału rozszczepialnego - powiedzmy Uran-235 - przechwytuje neutron podczas jego przechodzenia. Powoduje to rozpad atomu na dwa mniejsze atomy, a tym samym wyrzuca dwa lub trzy kolejne neutrony. Te neutrony następnie odlatują i są wychwytywane przez inne atomy Uranu-235, które z kolei dzielą się i wysyłają dwa lub trzy kolejne neutrony. Wszystko to dzieje się w bardzo, bardzo krótkim czasie i uwalnia ogromne ilości energii.
Koncepcja masy krytycznej jest ważna, ponieważ aby reakcja mogła być kontynuowana i uwolnić ogromne ilości energii, musi istnieć wystarczająca ilość materiału rozszczepialnego, aby mogła być kontynuowana. Jeśli masa krytyczna nie zostanie osiągnięta, obecne neutrony będą z czasem ulegać zmniejszeniu, przez co reakcja jądrowa z czasem staje się coraz mniej prawdopodobna. Ściśle mówiąc, termin masa krytyczna jest używany do opisania stanu równowagi, w którym znajduje się wystarczająca ilość materiału rozszczepialnego, aby utrzymać mniej więcej tę samą liczbę neutronów, ale reakcja nie generuje więcej. Często jednak masę krytyczną stosuje się do opisania tego, co jest dokładniej nazywane masą nadkrytyczną, gdy obecna jest wystarczająca ilość materiału, aby neutrony nadal zderzały się z atomami rozszczepialnymi i uwalniały więcej neutronów, generując energię i ciepło.
Aby użyć materiału rozszczepialnego w broni nuklearnej, jest oczywiście ważne, aby materiał był utrzymywany poniżej masy krytycznej - w przeciwnym razie bomba wybuchłaby natychmiast. Zwykle dwa kawałki materiału są trzymane osobno w podkrytycznej masie, a kiedy nadszedł czas na detonację bomby, są one zrzucane razem bardzo mocno i bardzo szybko. Następnie tworzą masę nadkrytyczną, a bomba wybucha. Jeśli nie zostaną one wystarczająco szybko zrzucone, najpierw nastąpi mniejsza eksplozja i rozdmuchuje dwa kawałki dalej, tak że duża eksplozja nigdy nie nastąpi - jest to często określane jako miskę.
Masa krytyczna różni się w zależności od użytego materiału. W przypadku uranu 233 masa krytyczna wynosi około 35 funtów (15 kg). W przypadku uranu-235 masa krytyczna wynosi około 115 funtów (52 kg). W przypadku Plutonu-239 masa krytyczna wynosi około 22 funtów (10 kg). To może wydawać się trochę, ale pamiętaj, że te materiały są bardzo gęste. W przypadku większości materiałów jądrowych kula niewiele większa niż baseball osiągnie masę krytyczną i spowoduje ogromną eksplozję.