Что такое критическая масса?

Критическая масса - это концепция, с которой сталкиваются при обсуждении ядерного материала. Короче говоря, критическая масса материала - это количество, необходимое ему для продолжения ядерной реакции после его начала.

Существуют разные типы ядерных материалов, и один тип известен как делящийся материал. Делящиеся материалы способны выдерживать реакцию, как только она началась. Поскольку реакция может быть продолжительной, материал может быть использован для определенных целей. Эти цели включают создание ядерного оружия и создание реакторов для производства энергии. Наиболее широко используемыми делящимися материалами являются Уран-233, Уран-235 и Плутоний-239. Эти три материала соответствуют критериям расщепляющегося материала, остаются в течение достаточно длительного времени, и их можно найти в достаточно больших количествах, чтобы сделать их использование в качестве топлива практичным.

Процесс ядерной реакции несколько сложен, но его можно рассматривать просто как реакцию, которая растет в геометрической прогрессии. В реакции атом расщепляющегося материала, скажем, Uranium-235, захватывает нейтрон, когда он проходит мимо. Это приводит к расщеплению атома на два более мелких атома и в процессе запускает еще два или три нейтрона. Эти нейтроны затем вылетают и захватываются другими атомами урана-235, которые, в свою очередь, расщепляются и испускают еще два или три нейтрона. Все это происходит за очень-очень короткое время и высвобождает огромное количество энергии.

Концепция критической массы важна, потому что для продолжения этой реакции и высвобождения огромного количества энергии должно быть достаточно делящегося материала, чтобы она могла продолжаться. Если критическая масса не будет достигнута, то присутствующие нейтроны со временем уменьшатся, что сделает ядерную реакцию все менее вероятной с течением времени. Строго говоря, термин критическая масса используется для описания состояния равновесия, при котором имеется достаточно делящегося материала, чтобы поддерживать количество нейтронов примерно одинаковым, но реакция не генерирует больше. Однако часто критическая масса используется для описания того, что более точно называется сверхкритической массой, когда присутствует достаточное количество материала, чтобы нейтроны продолжали сталкиваться с делящимися атомами и выделяли больше нейтронов, генерируя энергию и тепло.

Для использования расщепляющегося материала в ядерном оружии, очевидно, важно, чтобы материал был ниже критической массы, иначе бомба взорвалась бы немедленно. Обычно два куска материала держат отдельно при докритической массе, и когда наступает время взрыва бомбы, они собираются очень быстро и очень быстро. Затем они создают сверхкритическую массу, и бомба взрывается. Если они не собираются вместе достаточно быстро, то сначала происходит меньший взрыв, который разносит две части дальше друг от друга, так что большой взрыв никогда не происходит - это часто называют провалом.

Критическая масса различается в зависимости от используемого материала. В случае Урана-233 критическая масса составляет около 35 фунтов (15 кг). В случае Урана-235 критическая масса составляет около 115 фунтов (52 кг). А в случае с плутонием-239 критическая масса составляет около 22 фунтов (10 кг). Это может показаться немного, но имейте в виду, что эти материалы очень плотные. С большинством ядерных материалов сфера, не намного больше, чем бейсбольный мяч, достигнет критической массы и вызовет огромный взрыв.