Критична маса

Плутонієва сфера (макет), оточена блоками, що відбивають нейтрони з карбіду вольфраму. Реконструкція пристрою 1945 року для визначення критичної маси

Критична маса — у ядерній фізиці мінімальна кількість речовини, що ділиться, яка потрібна для початку самопідтримуваної ланцюгової реакції поділу. Ефективний коефіцієнт розмноження нейтронів у такій кількості речовини дорівнює одиниці. Розміри, що відповідають критичній масі, також називають критичними.

Величина критичної маси залежить від властивостей речовини (таких, як переріз реакції поділу та радіаційного захвату), від густини, кількості домішок, форми виробу, а також від оточення. Наприклад, наявність відбивачів нейтронів може суттєво зменшити критичну масу.

У ядерній енергетиці параметр критичної маси є визначним під час конструювання та розрахунків різноманітних приладів, що використовують у своїй конструкції ізотопи або суміші ізотопів елементів, здатних в певних умовах до ядерного поділу з виділенням колосальної кількості енергії. Наприклад, при проектуванні потужних радіоізотопних генераторів в яких використовується як паливо уран чи трансуранові елементи, параметр критичної маси обмежує потужність такого приладу. У розрахунках та виробництві ядерної та термоядерної зброї параметр критичної маси істотним чином впливає як на конструкцію вибухового пристрою, так і на його вартість та терміни зберігання. У випадку проектування та будівництва атомного реактора, параметри критичної маси також обмежують як мінімальні, так і максимальні розміри майбутнього реактору.

Найменшу критичну масу мають розчини солей чистих нуклідів, що діляться, у воді з водяним відбивачем нейтронів. Для 235U критична маса дорівнює 0,8 кг, для 239Pu — 0.5 кг, для 251Cf — 10 г.

Критичний розмір

Критична маса $M$ пов’язана з критичною довжиною $l$ $~M\sim l^{x}$, де x залежить від форми зразка та перебуває у межах від 2 до 3. Залежність від форми пов’язана з витоком нейтронів через поверхню: що більша поверхня, то більші втрати нейтронів і більша критична маса. Мінімальну критичну масу мають зразки у формі кулі.

Основні оціночні характеристики чистих ізотопів, здатних до ядерного поділу:

Ізотоп	Отримання (джерело)	Період напіврозпаду T1/2	Критична маса	Густина г/см3	Температура плавлення °С	Тепловиділення Вт/кг	Нейтрони спонтанного ділення 105(кг•сек)
231Pa	Реактор	32760 років	750±180 кг	15,37	1572
232U	Реактор	68,9 років		19,04	1134	8097
233U	Реактор	159200 років	15 кг	19,04	1134
235U	Реактор	7,038•108 років	45 кг	19,04	1134
236U	Реактор	2,3416•107 років	? кг	19,04	1134
237Np	Реактор	2,14•107 років	57 кг	20,25	637	0,022	0
236Pu	Реактор	2,9 роки	6-8 кг	19,84	639,7	18500	349
238Pu	Реактор	87,7 років	9,6-9,8 кг	19,84	639,7	568	26,6
239Pu	Реактор	24100 років	10,1 кг	19,84	639,7	1,92
240Pu	Реактор	6500 років	36,9 кг	19,84	639,7	7,1	9,1
241Pu	Реактор	14,4 років	13 кг	19,84	639,7	3,2	0
242Pu	Реактор	380000 років	83,4 кг	19,84	639,7	0,113	16,9
241Am	Реактор	432 роки	60 кг	13,67	1180	114	0,012
242mAm	Реактор	152 роки	3,78 кг	13,67	1180
243mAm	Реактор	141 рік	9,1 кг	13,67	1180	3,84	1,49
243Am	Реактор	7400 років	208,8 кг	13,67	1180	6,4	0,03
243Cm	Реактор	28,5 років	8,6 кг	13,51	1340	1900	0
244Cm	Реактор	18,1 років	27 кг	13,51	1340	2830	1,11
245Cm	Реактор	8500 років	9,2 кг	13,51	1340	5,7	0
246Cm	Реактор	4730 років	39–70,1 кг	13,51	1340
247Cm	Реактор	1,56•107 років	6,94–7,06 кг	13,51	1340
248Cm	Реактор	340000 років		13,51	1340
249Cf	Реактор	351 рік	5,9 кг	15,1
250Cf	Реактор	13,08 років		15,1
251Cf	Реактор	898 років	1,94 кг	15,1
252Cf	Реактор	2,638 роки	2,73 кг	15,1

Література

• E. D. Clayton, ANOMALIES OF NUCLEAR CRITICALITY, REVISION 6 [Архівовано 24 вересня 2015 у Wayback Machine.] // Pacific Northwest Laboratory, February 2010

Посилання

• Критична маса [Архівовано 21 квітня 2016 у Wayback Machine.] //ЕСУ
• https://web.archive.org/web/20131228063554/http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/criticalmass.htm