Kas ir kritiskā masa?

Ir dažādi kodolmateriālu veidi, un viens veids ir pazīstams kā skaldāmais materiāls. Skaldāmie materiāli spēj uzturēt reakciju, tiklīdz tā ir sākusies. Tā kā reakcija var būt ilgstoša, materiālu var izmantot noteiktiem mērķiem. Šie mērķi ietver kodolieroču izgatavošanu un reaktoru izveidi enerģijas ražošanai. Visplašāk izmantotie skaldāmie materiāli ir urāns-233, urāns-235 un plutonijs-239. Šie trīs materiāli atbilst skaldāmā materiāla kritērijiem, saglabājas pietiekami ilgu laiku, un tos var atrast pietiekami lielos daudzumos, lai tos varētu izmantot kā degvielu.

Kodolreakcijas process ir nedaudz sarežģīts, taču to var vienkārši uzskatīt par reakciju, kas aug eksponenciāli. Reakcijā skaldāmā materiāla atoms — pieņemsim, urāns-235 — uztver neitronu, kad tas pārvietojas garām. Tas izraisa atoma sadalīšanos divos mazākos atomos un šajā procesā palaiž vēl divus vai trīs neitronus. Pēc tam šie neitroni aizlido, un tos uztver citi urāna-235 atomi, kas savukārt sadalās un nosūta vēl divus vai trīs neitronus. Tas viss notiek ļoti, ļoti īsā laikā un atbrīvo milzīgu enerģijas daudzumu.

Šī koncepcija ir svarīga, jo, lai šī reakcija turpinātos un atbrīvotu milzīgus enerģijas daudzumus, ir jābūt pietiekami daudz skaldāmā materiāla, lai tā varētu turpināties. Ja kritiskā masa netiek sasniegta, klātesošie neitroni laika gaitā samazināsies, padarot kodolreakcijas iespējamību laika gaitā mazāk un mazāk iespējama. Stingri sakot, terminu kritiskā masa lieto, lai aprakstītu līdzsvara stāvokli, kurā ir pietiekami daudz skaldāmo materiālu, lai neitronu daudzums būtu aptuveni tāds pats, bet reakcija nerada vairāk. Tomēr bieži vien šis termins tiek lietots, lai aprakstītu to, ko precīzāk sauc par superkritisko masu, kad ir pietiekami daudz materiāla, lai neitroni turpinātu sadurties ar skaldāmiem atomiem un atbrīvotu vairāk neitronu, radot enerģiju un siltumu.

Lai kodolieročā izmantotu skaldāmo materiālu, ir acīmredzami svarīgi, lai materiāls būtu zem kritiskās masas — pretējā gadījumā bumba nekavējoties detonētu. Parasti divi materiāla gabali tiek turēti atsevišķi pie subkritiskās masas, un, kad ir laiks spridzināt bumbu, tie tiek ļoti smagi un ļoti ātri samesti kopā. Pēc tam viņi izveido superkritisku masu, un bumba eksplodē. Ja tos nesamet kopā pietiekami ātri, vispirms notiek mazāks sprādziens, kas izpūš abas detaļas tālāk viena no otras, tā ka lielais sprādziens nekad nenotiek — to bieži dēvē par izsīkšanu.

Kritiskā masa ir atšķirīga atkarībā no izmantotā materiāla. Urāna-233 gadījumā tas ir aptuveni 15,9 kg. Urāna-235 gadījumā kritiskā masa ir aptuveni 52,2 kg. Plutonija-239 gadījumā tas ir aptuveni 9,98 kg.