Kritické množství

Kritické množství (též kritická hmotnost) je ve fyzice nejmenší množství štěpného materiálu, které je potřebné k udržení řetězové štěpné jaderné reakce.^[1]

Tento článek není dostatečně ozdrojován, a může tedy obsahovat informace, které je třeba ověřit.

Aby se reakce udržela, musí být počet neutronů, které vzniknou štěpením a vyvolají další štěpení, stejný nebo vyšší než počet neutronů, které z materiálu uniknou nebo jsou pohlceny bez vyvolání štěpení.

• Pokud je hmotnost nižší než kritická (tzv. podkritický stav), reakce vyhasíná.
• Při dosažení přesně kritického množství je reakce stabilní (princip jaderného reaktoru).
• Při nadkritické hmotnosti počet štěpení narůstá exponenciálně a dochází k prudkému uvolnění energie, což může vést až k jadernému výbuchu.

Fyzikální princip

Kritické množství není konstantní hodnota pro daný izotop, ale závisí na několika faktorech, které ovlivňují neutronovou bilanci v daném objemu:

• Druh štěpného materiálu: Vliv má především účinný průřez reakce (tj. pravděpodobnost záchytu neutronu a následného rozštěpení jádra) a počet neutronů vzniklých při jednom rozpadu. Nejnižší kritické množství mají izotopy štěpitelné pomalými neutrony (např. uran ²³⁵U, plutonium ²³⁹Pu).
• Tvar: Je-li materiál rozprostřen do větší oblasti, více neutronů uniká do okolí. Ideálním tvarem s nejmenším povrchem pro daný objem je koule, která má proto nejnižší kritickou hmotnost.
• Hustota: Při vyšší hustotě materiálu (např. při stlačení implozí) jsou jádra blíže u sebe a pravděpodobnost srážky s neutronem roste. Kritické množství se tím snižuje.
• Čistota: Příměsi jiných prvků mohou pohlcovat neutrony, aniž by vyvolaly štěpení, čímž zvyšují potřebné množství štěpného materiálu. Vliv má i degradace materiálu vlivem samovolného rozpadu nebo hromadění produktů samotného štěpení, viz např. xenonová otrava jaderného reaktoru.
• Okolní prostředí (odražeč): Pokud je štěpný materiál obklopen látkou, která odráží neutrony zpět (tzv. neutronový odražeč), snižuje se únik neutronů a tím i kritická hmotnost. Jako odražeč se používá např. beryllium, ocel, wolfram nebo ochuzený uran.

Snižování kritického množství v praxi

Pro dosažení kritického stavu (například v jaderných zbraních nebo reaktorech) se využívají různé techniky manipulace s výše uvedenými faktory:

• Změna tvaru a množství: Spojení dvou či více podkritických kusů materiálu do jednoho nadkritického celku (princip dělových jaderných zbraní, též „gun-type“).
• Zvýšení hustoty (imploze): Stlačení podkritického jádra pomocí konvenční trhaviny. Zmenšením objemu a zvýšením hustoty se materiál stane nadkritickým. Tohoto využívá většina moderních jaderných zbraní; technicky náročná je především přesná synchronizace a tvarování výbušnin.
• Použití odražeče: Obložení jádra vrstvou materiálu (např. beryliem), který vrací unikající neutrony zpět do reakce. To může snížit kritickou hmotnost na polovinu až třetinu.
• Moderace neutronů: V jaderných reaktorech se používá moderátor neutronů (voda, grafit), který neutrony zpomaluje. Pomalé neutrony mají u některých paliv (např. Uran-235) výrazně vyšší pravděpodobnost, že způsobí štěpení, což dovoluje dosáhnout kritického stavu s menším množstvím nebo nižší koncentrací paliva.

Příklady kritických hmotností

Přibližné hodnoty kritické hmotnosti pro čisté kovy ve tvaru koule (bez odražeče neutronů):^[1]

• Uran-235: cca 48 kg (koule o průměru 18 cm)
• Uran-233: cca 16 kg (koule o průměru 12 cm)
• Plutonium-239: cca 17 kg (koule o průměru 12 cm)

S použitím kvalitního neutronového odražeče mohou být tyto hodnoty výrazně nižší.