Критическая масса

У этого термина существуют и другие значения, см. Критическая масса (значения).

Критическая масса — в ядерной физике минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в таком количестве вещества больше единицы или равен единице. Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими. При массе больше критической цепная реакция может (при соответствующих условиях) лавинообразно ускоряться, что приводит к ядерному взрыву.

Плутониевый шар (макет), окружённый отражающими нейтроны блоками из карбида вольфрама. Реконструкция прибора 1945 года для определения критической массы

Величина критической массы зависит от свойств вещества (таких, как сечения деления и радиационного захвата), от плотности, количества примесей, формы изделия, а также от окружения. Например, наличие отражателей нейтронов может сильно уменьшить критическую массу.

В ядерной энергетике параметр критической массы является определяющим при конструировании и расчётах самых разнообразных устройств, использующих в своей конструкции различные изотопы или смеси изотопов элементов, способных в определенных условиях к ядерному делению с выделением колоссального количества энергии. Например, при проектировании мощных радиоизотопных генераторов, в которых используются в качестве топлива уран и ряд трансурановых элементов, параметр критической массы ограничивает мощность такого устройства. При расчётах и производстве ядерного и термоядерного оружия параметр критической массы существенным образом влияет как на конструкцию взрывного устройства, так и на его стоимость и сроки хранения. В случае проектирования и строительства атомного реактора, параметры критической массы также ограничивают как минимальные, так и максимальные размеры будущего реактора.

Наименьшей критической массой обладают растворы солей чистых делящихся нуклидов в воде с водяным отражателем нейтронов. Для ²³⁵U критическая масса такого раствора равна 0,8 кг, для ²³⁹Pu — 0,5 кг, для некоторых солей ²⁵¹Cf — 10 г^[1].

Критический размер

Критическая масса ${\displaystyle M}$ связана с критической длиной ${\displaystyle l}$: ${\displaystyle M\sim l^{x}}$, где x зависит от формы образца и лежит в пределах от 2 до 3. Зависимость от формы связана с утечкой нейтронов через поверхность: чем больше поверхность, тем больше критическая масса. Образец с минимальной критической массой имеет форму шара.

Основные оценочные характеристики чистых изотопов, способных к ядерному делению

Изотоп	Период полураспада T½, лет	Критическая масса, кг[2]	Тепловы- деление Вт/кг	Нейтроны спонтанного деления 105(кг·с)	Темпе- ратура плавле- ния °С	Плотность г/см³
231Pa	32 760	750±180			1572	15,37
232U	68,9	?	8097		1134	19,04
233U	159 200	15,8
235U	7,038⋅108	46,7
236U	2,3416⋅107	?
237Np	2,14⋅107	63,6	0,022	0	637	20,25
236Pu	2,9	6—8	18500	349	639,7	19,84
238Pu	87,7	9,5	568	26,6
239Pu	24 100	10	1,92
240Pu	6500	35,7	7,1	9,1
241Pu	14,4	12,3	3,2	0
242Pu	380 000	83,4	0,113	16,9
241Am	432	57,6	114	0,012	1180	13,67
242mAm	141	9,1	3,84	1,49
243Am	7400	208,8	6,4	0,03
243Cm	28,5	8,4	1900	0	1340	13,51
244Cm	18,1	26,6	2830	1,11
245Cm	8500	9,1	5,7	0
246Cm	4730	39—70,1
247Cm	1,56⋅107	6,9
248Cm	340 000	?
249Cf	351	5,9			900	15,1
250Cf	13,08	?
251Cf	898	5,5
252Cf	2,638	2,73

Литература

• E. D. Clayton, ANOMALIES OF NUCLEAR CRITICALITY, REVISION 6 // Pacific Northwest Laboratory, February 2010