Κρίσιμη μάζα

Τμήμα αναδημιουργίας ατυχήματος κρίσιμης μάζας του 1945, ένα κοίλωμα πλουτωνίου είναι ανάμεσα σε κομμάτια (μπλοκ) ανακλαστήρων νετρονίων από καρβίδιο του βολφραμίου. Το αρχικό πείραμα σχεδιάστηκε για να μετρήσει την ακτινοβολία που παράγεται όταν ένα επιπλέον κομμάτι (μπλοκ) προστίθεται. Αντ' αυτού, η μάζα έγινε υπερκρίσιμη, όταν ένα κομμάτι έπεσε και τοποθετήθηκε εσφαλμένα.

Μια κρίσιμη μάζα είναι η ελάχιστη ποσότητα σχάσιμου υλικού που απαιτείται για να προκληθεί αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση. Η κρίσιμη μάζα του σχάσιμου υλικού εξαρτάται από τις πυρηνικές του ιδιότητες (συγκεκριμένα την ενεργό διατομή), την πυκνότητα, το σχήμα του, τον εμπλουτισμό του, την καθαρότητά του, τη θερμοκρασία του και το περιβάλλον του. Η έννοια αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική στον σχεδιασμό πυρηνικών όπλων.

Εξήγηση της κρισιμότητας

Όταν μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση μιας μάζας σχάσιμου υλικού αυτο-συντηρείται, η μάζα λέμε ότι βρίσκεται σε κρίσιμη κατάσταση στην οποία δεν υπάρχει διακύμανση της δύναμης, της θερμοκρασίας ή του πληθυσμού των νετρονίων.

Μια αριθμητική μέτρηση της κρίσιμης μάζας, εξαρτάται από τον παράγοντα αποτελεσματικότητας του πολλαπλασιασμού των νετρονίων k, δηλαδή τη μέση τιμή των νετρονίων που απελευθερώνονται σε κάθε σχάση και προκαλούν με τη σειρά τους σχάση (αντί να απορροφώνται ή να δραπετεύουν από το υλικό). Όταν ${\displaystyle k=1}$, η μάζα είναι κρίσιμη και η αλυσιδωτή αντίδραση μόλις που αυτο-συντηρείται.

Υποκρίσιμη μάζα

Η υποκρίσιμη μάζα, είναι εκείνη η μάζα όπου το σχάσιμο υλικό δεν έχει την ικανότητα να συντηρήσει μια αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση. Ο πληθυσμός των νετρονίων σε αυτή την υποκρίσιμη κατάσταση θα φθίνει εκθετικά. Σε αυτή την περίπτωση ${\displaystyle k<1}$. Ένας σταθερός ρυθμός αυθόρμητων σχάσεων δημιουργεί αναλογικά σταθερή δραστηριότητα νετρονίων, με τη σταθερά αναλογίας να αυξάνεται ανάλογα με το k.

Υπερκρίσιμη μάζα

Η υπερκρίσιμη μάζα, είναι αυτή στην οποία αυξάνεται ο ρυθμός των σχάσεων. Το υλικό μπορεί να βρίσκεται σε μια κατάσταση ισορροπίας (δηλαδή να γίνεται κρίσιμο) σε μια ολοένα αυξανόμενη θερμοκρασία/δύναμη ή να καταστραφεί (και κατά συνέπεια να ισορροπήσει). Σε αυτή την περίπτωση ${\displaystyle k>1}$.

Κρίσιμη μάζα στον σχεδιασμό πυρηνικών όπλων

Το πυρηνικό όπλο Little Boy. Μια υποκρίσιμη μάζα εκτοξεύεται από τη μια άκρη, προς μια υποκρίσιμη μάζα στην άλλη άκρη της οβίδας. Η ένωση των δύο μαζών δημιουργεί μια υπερκρίσιμη μάζα που έχει σαν αποτέλεσμα μια βίαιη έκρηξη

Ένα πυρηνικό όπλο είναι απαραίτητο να βρίσκεται σε υποκρίσιμη κατάσταση μέχρι τη στιγμή της ενεργοποίησής του. Στην περίπτωση της βόμβας ουρανίου, αυτό επιτυγχάνεται διαχωρίζοντας το 'καύσιμο' σε κομμάτια κάτω από τη κρίσιμη μάζα. Για να πραγματοποιηθεί έκρηξη, τα κομμάτια έρχονται σε επαφή με μεγάλη ταχύτητα. Στα πυρηνικά όπλα τύπου Little Boy (κωδικό όνομα για τύπου βόμβας παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιήθηκε στη Χιροσίμα) η έκρηξη επιτυγχάνεται εκτοξεύοντας ένα, υποκρίσιμης μάζας, κομμάτι ουρανίου μέσω μιας κάνης σε ένα άλλο (επίσης υποκρίσιμης μάζας), με αποτέλεσμα, από την ένωσή τους, να δημιουργηθεί υπερκρίσιμη μάζα και συνεπώς βίαιη πυρηνική έκρηξη.

Βιβλιογραφία

• Εισαγωγή στην Πυρηνική Φυσική - Cottingham W. Noel, Greenwood D. A