Критическая масса

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

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.

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.

Критический размер

Критическая масса $M$ связана с критической длиной $l$ $M\sim l^{x}$, 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	Получение (источник)	Период полураспада T½	Критическая масса	Плотность г/см³	Темпе- ратура плавле- ния °С	Тепловы- деление Вт/кг	Нейтроны спонтанного деления 105(кг·с)
231Pa	Реактор	32760 лет	750±180 кг	15,37	1572
232U	Реактор	68,9 лет	? кг	19,04	1134	8097
233U	Реактор	159200 лет	15 кг	19,04	1134
235U	Природный уран	7,038⋅108 лет	50 кг	19,04	1134
236U	Реактор	2,3416⋅107 лет	? кг	19,04	1134
237Np	Реактор	2,14⋅107 лет	57 кг	20,25	637	0,022	0
236Pu	Реактор	2,9 лет	6—8 кг	19,84	639,7	18500	349
238Pu	Реактор	87,7 лет	9,6—9,8 кг	19,84	639,7	568	26,6
239Pu	Реактор	24100 лет	11 кг	19,84	639,7	1,92
240Pu	Реактор	6500 лет	36,9 кг	19,84	639,7	7,1	9,1
241Pu	Реактор	14,4 лет	13 кг	19,84	639,7	3,2	0
242Pu	Реактор	380000 лет	83,4 кг	19,84	639,7	0,113	16,9
241Am	Реактор	432 года	60 кг	13,67	1180	114	0,012
242mAm	Реактор	141 год	9,1 кг	13,67	1180	3,84	1,49
243Am	Реактор	7400 лет	208,8 кг	13,67	1180	6,4	0,03
243Cm	Реактор	28,5 лет	8,6 кг	13,51	1340	1900	0
244Cm	Реактор	18,1 лет	27 кг	13,51	1340	2830	1,11
245Cm	Реактор	8500 лет	9,2 кг	13,51	1340	5,7	0
246Cm	Реактор	4730 лет	39—70,1 кг	13,51	1340
247Cm	Реактор	1,56⋅107 лет	6,94—7,06 кг	13,51	1340
248Cm	Реактор	340000 лет	? кг	13,51	1340
249Cf	Реактор	351 год	5,9 кг	15,1	900
250Cf	Реактор	13,08 лет	? кг	15,1	900
251Cf	Реактор	898 лет	5,5 кг	15,1	900
252Cf	Реактор	2,638 года	2,73 кг	15,1	900

Литература

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

Ссылки

• https://web.archive.org/web/20131228063554/http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/criticalmass.htm