Критическая масса — минимальная масса делящегося вещества, необходимая для поддержания самоподдерживающейся цепной реакции деления. Это фундаментальное понятие ядерной физики, лежащее в основе принципов работы ядерных реакторов и ядерного оружия. Если масса меньше критической, реакция быстро затухает; если равна или превышает — возможно устойчивое развитие реакции, вплоть до взрыва при соответствующих условиях.
Критическая масса определяется балансом между двумя процессами:
Когда делящееся ядро, например, урана-235 или плутония-239, делится, оно испускает несколько нейтронов (в среднем от 2 до 3). Если хотя бы один из этих нейтронов вызывает последующее деление, реакция может поддерживаться. Если же нейтроны утекают из системы или поглощаются без деления, цепная реакция прекращается.
Форма и плотность делящегося вещества играют ключевую роль:
Для сферы из чистого U-235 при нормальной плотности критическая масса составляет примерно 52 кг. Для плутония-239 — около 10 кг, что обусловлено большей вероятностью деления и меньшей длиной свободного пробега нейтронов.
Материалы, окружающие делящееся вещество, могут существенно повлиять на критическую массу. Отражатели, такие как бериллий, графит, вода или обеднённый уран, возвращают часть утекающих нейтронов обратно в активную зону. Это:
В присутствии эффективного отражателя критическая масса может уменьшиться в несколько раз.
Качество ядерного топлива критически важно. Примеси, которые поглощают нейтроны (например, бор или кадмий), без участия в делении, действуют как поглотители. Их присутствие:
По этой причине ядерные материалы для реакторов и оружия проходят строгую химическую и изотопную очистку.
В конструкциях имплозионного типа используется быстрое динамическое сжатие делящегося вещества с помощью взрывчатых веществ. Это:
Таким образом, масса, которая в спокойном состоянии была субкритической, становится сверхкритической в момент взрыва, обеспечивая мощный выброс энергии.
Различают три состояния системы:
Здесь k — коэффициент размножения нейтронов, ключевая величина в реакторной физике.
Температура влияет на критическую массу двояко:
В ядерных боеголовках эти эффекты учитываются особенно тщательно, поскольку они могут повлиять на эффективность или стабильность устройства.
В ядерных энергетических установках поддержание системы в точно критическом состоянии (k = 1) является основной задачей:
Также важно различать мгновенно критическое и запаздывающе критическое состояния. Последнее обеспечивается с учётом запаздывающих нейтронов, что позволяет управлять реакцией с приемлемой скоростью.
Определение критической массы производится как непрямыми расчётами, так и практическими критическими экспериментами в лабораторных условиях с малыми массами делящегося вещества, используя:
Эти эксперименты являются объектом жёсткого регламентирования и безопасности.
Понимание и достижение критической массы стало ключевым шагом в Манхэттенском проекте. Первая в истории самоподдерживающаяся цепная реакция была осуществлена в декабре 1942 года в Чикаго (реактор CP-1), и с тех пор концепция критической массы стала краеугольным камнем всей ядерной физики и технологии.
| Изотоп | Критическая масса (без отражателя) | С отражателем (Be, U) |
|---|---|---|
| U-235 (металл) | ~52 кг | ~15–25 кг |
| Pu-239 (металл) | ~10 кг | ~4–6 кг |
| U-233 | ~15 кг | ~5–10 кг |
Примечание: Точные значения зависят от формы, плотности, чистоты вещества, условий окружающей среды и наличия отражателей.
Расчёт критической массы необходим не только для создания энергетических установок и оружия, но и для обеспечения ядерной безопасности:
Таким образом, понимание критической массы лежит в основе и технологии, и безопасности в области использования ядерной энергии.