Kritikus tömeg (fizika)

Egy hasadóanyag kritikus tömege az a legkisebb mennyiség, amely nukleáris láncreakciót képes fenntartani. Nagysága függ a hasadóanyag magfizikai tulajdonságaitól (hasadási keresztmetszet), sűrűségétől, alakjától, dúsítási fokától, szennyezettségétől, hőmérsékletétől és a környezettől is.

A kritikusság magyarázata

Amikor adott tömegű hasadóanyagban önfenntartó nukleáris láncreakció megy végbe, akkor azt kritikus állapotúnak nevezzük, ha nem változik a teljesítménye, hőmérséklete vagy neutronpopulációja.

A kritikus tömeg értéke a k hatásos neutronsokszorozási tényezőtől függ, mely megadja az egy maghasadás során keletkező olyan neutronok átlagos számát, amelyek maguk is további maghasadást idéznek elő. Ha k = 1, a tömeg kritikus, és a láncreakció önfenntartó.

A szubkritikus tömeg nem elegendő a láncreakció fenntartására, ilyen esetben az egymást követő neutronpopulációk létszáma exponenciálisan csökken, k < 1.

A szuperkritikus tömegben, ha egyszer elindul a láncreakció, akkor az egyre gyorsuló ütemben fog végbemenni. Az anyag – magasabb hőmérsékleten vagy teljesítményszinten – vagy ismét egyensúlyba kerül (azaz újra kritikussá válik) vagy megsemmisül. Ilyenkor k > 1.

Gömb kritikus tömege

Felül: A gömb formájú hasadóanyag túl kicsi a láncreakció fenntartásához, mivel a hasadás során keletkező neutronok könnyen kilépnek az anyagból

Középen: A gömb méretét a kritikus tömegre növelve a láncreakció önfenntartóvá válik

Alul: Az eredeti gömböt neutron reflektorral körülvéve nő a reakció hatásfoka, és lehetővé válik az önfenntartó láncreakció

A legkisebb kritikus tömeghez és fizikai mérethez tartozó alak a gömbforma. Néhány aktinoida normális sűrűségéhez tartozó, csupasz gömbre megadott kritikus tömege az alábbi táblázatban látható.

Nuklid	Felezési idő (év)	Kritikus tömeg (kg)	Átmérő (cm)	Ref
urán-233	159 200	15	11	[1]
urán-235	703 800 000	52	17	[1]
neptúnium-236	154 000	7	8,7	[2]
neptúnium-237	2 144 000	60	18	[3][4]
plutónium-238	87,7	9,04–10,07	9,5–9,9	[5]
plutónium-239	24 110	10	9,9	[1][5]
plutónium-240	6561	40	15	[1]
plutónium-241	14,3	12	10,5	[6]
plutónium-242	375 000	75–100	19–21	[6]
amerícium-241	432,2	55–77	20–23	[7]
amerícium-242m	141	9–14	11–13	[7]
amerícium-243	7370	180–280	30–35	[7]
kűrium-243	29,1	7,34–10	10–11	[8]
kűrium-244	18,1	13,5–30	12,4–16	[8]
kűrium-245	8500	9,41–12,3	11–12	[8]
kűrium-246	4760	39–70,1	18–21	[8]
kűrium-247	15 600 000	6,94–7,06	9,9	[8]
berkélium-247	1380	75,7	11,8–12,2	[9]
berkélium-249	330 nap	192	16,1–16,6	[9]
kalifornium-249	351	6	9	[2]
kalifornium-251	900	5,46	8,5	[2]
kalifornium-252	2,6	2,73	6,9	[10]
einsteinium-254	275,7 nap	9,89	7,1	[9]