مفهوم فيزياء الكم للكتلة الحرجة

في عالم ما دون الذرة الذي تحكمه قواعد ميكانيكا الكم ، توفر عملية تسمى الانشطار المصدر الأساسي للطاقة لكل من القنابل الذرية والمفاعلات النووية. ما يفصل بين هاتين النتيجتين المختلفتين إلى حد كبير - إحداهما عنيفة والأخرى خاضعة للرقابة - هو مفهوم النقد الكتلة ، وهو خط فاصل وهمي يحدد ما إذا كان التفاعل النووي بطيئًا وطويلًا أو سريعًا و قصير الأمد.

تنقسم ذرات العناصر غير المستقرة مثل اليورانيوم والبلوتونيوم إلى أزواج من العناصر الأخف عندما تخضع للاضمحلال الإشعاعي ، وهي عملية تسمى الانشطار. على سبيل المثال ، قد ينقسم اليورانيوم 235 إلى كريبتون 89 وباريوم 144 ، وهو انشطار يصدر أيضًا بقايا نيوترونين. قد تكون العناصر الأخف أيضًا غير مستقرة ، وتستمر كسلسلة اضمحلال إشعاعي قد تتضمن عشرات العناصر أو أكثر وتستغرق ملايين السنين حتى تكتمل.

تنقسم نواة اليورانيوم إلى عنصرين أخف وزنًا عندما تمتص نيوترونًا شاردًا. يؤدي النيوترون إلى زعزعة استقرار النواة ، مما يزيد من احتمالية تعرضها للانشطار. نظرًا لأن الانشطار ينتج نيوترونات حرة ، فقد تصطدم بالذرات المجاورة ، مما يؤدي إلى انقسامها أيضًا ، مما يؤدي إلى حدوث تفاعل متسلسل من أحداث الانشطار. نظرًا لأن التفاعلات النووية هي ميكانيكية كمومية بطبيعتها ، فهي محكومة بالاحتمالات والمصادفة. عندما تقل احتمالية حدوث التفاعلات المتسلسلة ، فإنها تموت ، حيث يؤدي عدد أقل وأقل من النيوترونات إلى حدوث انشطارات متتالية. عندما تفضل الظروف ردود الفعل المتسلسلة ، يستمر الانشطار النووي بشكل ثابت. وعندما يكون الانشطار مرجحًا جدًا ، تتسارع التفاعلات المتسلسلة ، فتؤدي إلى تقسيم عدد متزايد بسرعة من الذرات وإطلاق طاقتها.

يعتمد احتمال الانشطار والتفاعلات المتسلسلة جزئيًا على كتلة المادة المشعة المعنية. عند نقطة تسمى الكتلة الحرجة ، تكون التفاعلات المتسلسلة مكتفية ذاتيًا إلى حد كبير ولكنها لا تزداد. كل عنصر مشع له كتلة حرجة محددة لمجال من المادة ؛ على سبيل المثال ، الكتلة الحرجة من اليورانيوم 235 هي 56 كجم ، بينما يلزم فقط 11 كجم من البلوتونيوم 239. يقوم العلماء الذين يحتفظون بمخزون من المواد المشعة بتخزينها بطريقة لا تحدث هذه الكميات في نفس المنطقة المجاورة ؛ وإلا فإنها قد تنتج رشقات نارية من الإشعاع المميت

بالنسبة للشكل الكروي للمادة المشعة ، تؤدي زيادة الكتلة إلى زيادة عدد النيوترونات المنبعثة في لحظة معينة واحتمال أن تؤدي الانشطارات إلى تفاعلات متسلسلة. الكميات الأصغر من الكتلة الحرجة لعنصر مشع لها تفاعلات متسلسلة ولكن من المرجح أن تموت أكثر من الاستمرار. إلى جانب الكتلة الحرجة ، يزداد معدل الانشطار النووي ، مما يؤدي إلى حالة خطيرة خارجة عن السيطرة. تستخدم محطات الطاقة النووية كميات غير حرجة من العناصر المشعة - كافية لإنتاج كميات سخية من الطاقة ، ولكن لأسباب تتعلق بالسلامة ، لا يمكن أن تؤدي أبدًا إلى انفجار نووي. على النقيض من ذلك ، تستخدم القنابل الذرية كمية من المواد أقرب بكثير إلى الكتلة الحرجة. تظل القنبلة الذرية دون الحرجة حتى يتم تشغيلها بدفقة من النيوترونات والضغط بفعل انفجار من المتفجرات التقليدية شديدة الانفجار. تتسبب المتفجرات في أن تصبح المادة فوق حرجة للحظات ؛ تصبح التفاعلات المتسلسلة خارج نطاق السيطرة في بضعة أجزاء من المليون من الثانية ، وتطلق ما يعادل طاقة عشرات الآلاف من الأطنان من مادة تي إن تي.