Критическая масса — это минимальное количество делящегося материала (например, урана-235 или плутония-239), необходимое для течения самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Если масса вещества меньше критической, реакция затухает; если равна или превышает её — реакция становится неконтролируемой (как в ядерной бомбе) или управляемой (как в реакторе).
Цепная реакция:
При делении ядра атома (например, под воздействием нейтрона) выделяется энергия и новые нейтроны.
Условие критичности:
Чтобы реакция продолжалась, каждый акт деления должен вызывать в среднем 1 новый акт деления.
- Если нейтроны теряются (покидают материал или поглощаются без деления) — реакция затухает.
- Если нейтронов слишком много — реакция ускоряется (взрыв).
Факторы, влияющие на критическую массу
- Тип материала: Уран-235 (~52 кг) и плутоний-239 (~10 кг) имеют разные критические массы.
- Обогащение: Чем выше концентрация делящегося изотопа, тем меньше критическая масса.
- Форма: Шар имеет минимальную критическую массу, так как снижает утечку нейтронов.
- Отражатели: Материалы (например, бериллий или уран-238) вокруг ядра отражают нейтроны обратно, уменьшая критическую массу.
- Плотность: Сжатие вещества (как в ядерной бомбе) резко снижает критическую массу.
Примеры применения
Ядерное оружие:
- В бомбе делящийся материал разделён на части, каждая из которых меньше критической массы. При взрыве они объединяются, создавая сверхкритическую массу.
Ядерные реакторы:
- Топливо (например, уран) находится в подкритическом состоянии. Реакцию контролируют стержни-поглотители нейтронов.
Интересные факты
- Критическая масса урана-235 в виде шара без отражателя — около 52 кг (диаметр ~17 см).
- В реакторах используют замедлители (вода, графит), чтобы нейтроны теряли энергию и эффективнее вызывали деление.
- В природном уране (0.7% U-235) цепная реакция невозможна — требуется обогащение до 3–5% (для реакторов) или 90% (для оружия).
Итог
Критическая масса — это баланс между утечкой нейтронов и их генерацией. Её понимание лежит в основе как мирной ядерной энергетики, так и создания ядерного оружия.