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	Период полураспада T½, лет	Критическая масса, кг	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

Ссылки

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