Vad är kritisk massa?
Kritisk massa är ett begrepp man stöter på när man diskuterar kärnmaterial. I korthet är den kritiska massan av ett material den mängd som krävs för att det ska kunna fortsätta en kärnreaktion när det har börjat.
Det finns olika typer av kärnämnen, och en typ är känd som ett klyvbart material. Fissila material kan upprätthålla en reaktion när den har börjat. Eftersom reaktionen kan upprätthållas kan materialet användas för vissa ändamål. Dessa syften inkluderar tillverkning av kärnvapen och att skapa reaktorer för att generera energi. De mest använda fissila materialen är Uranium-233, Uranium-235 och Plutonium-239. Dessa tre material uppfyller kriterierna för ett klyvbart material, stannar kvar ganska länge och kan hittas i tillräckligt stora mängder för att använda dem för bränslepraktiskt.
Processen med en kärnreaktion är något komplex, men den kan bara ses som en reaktion som växer exponentiellt. I en reaktion fångar en atom i det klyvbara materialet - låt oss säga Uranium-235 - en neutron när den rör sig förbi. Detta får atomen att delas upp i två mindre atomer och startar i processen två eller tre fler neutroner. Dessa neutroner flyger sedan av och fångas av andra atomer i Uranium-235, som i sin tur delar upp och skickar ut två eller tre neutroner till. Allt detta händer på mycket, mycket liten tid och släpper enorma mängder energi.
Konceptet med kritisk massa är viktigt, för att denna reaktion ska fortsätta och släppa enorma mängder energi måste det finnas tillräckligt fissilt material närvarande för att det kan fortsätta. Om kritisk massa inte uppnås, minskar de närvarande neutronerna övertiden, vilket gör en kärnreaktion mindre och mindre trolig över tiden. Strengt taget används termen kritisk massa för att beskriva tillståndet i jämvikt i vilket det finns tillräckligt fissilt material närvarande för att hålla mängden neutroner ungefär lika, men reaktionen genererar inte mer. Ofta används emellertid kritisk massa för att beskriva vad som mer exakt kallas superkritisk massa, när tillräckligt med material är närvarande att neutroner fortsätter att kollidera med klyvbara atomer och släppa ut fler neutroner, generera energi och värme.
För att använda fissilt material i ett kärnvapen är det uppenbart viktigt att materialet hålls under kritisk massa - annars skulle bomben detoneras omedelbart. Vanligtvis hålls två materialstycken isär vid subkritisk massa, och när det är dags att bomben detoneras, kastas de samman mycket hårt och mycket snabbt. De skapar sedan en superkritisk massa, och bomben exploderar. Om de inte kastas tillräckligt snabbt, inträffar först en mindre explosion och blåser de två bitarna längre isär, så att den stora explosionen aldrig inträffar.
Kritisk massa är olika beroende på materialet som används. I fallet med Uranium-233 är den kritiska massan cirka 15 kg. I fallet med Uranium-235 är den kritiska massan cirka 115 kilo. Och när det gäller Plutonium-239 är den kritiska massan cirka 22 kg. Detta kan tyckas ganska mycket, men kom ihåg att dessa material är extremt täta. Med de flesta kärnämnen kommer en sfär som inte är mycket större än en baseboll att nå kritisk massa och orsaka en enorm explosion.