Kvantefysikbegrebet kritisk masse

I det subatomære område styret af kvantemekanikens regler tilvejebringer en proces kaldet fission den grundlæggende energikilde til både atombomber og atomreaktorer. Hvad der adskiller disse to meget forskellige resultater - den ene voldelige, den anden kontrollerede - er begrebet kritisk masse, en imaginær skillelinje, der bestemmer, om en nuklear reaktion er langsom og langvarig eller hurtig og kortvarig.

Atomer af ustabile grundstoffer som uran og plutonium opdeles i par lettere grundstoffer, når de gennemgår radioaktivt henfald, en proces kaldet fission. For eksempel kan uran-235 splittes i krypton-89 og barium-144, en fission, der også udsender to resterende neutroner. De lettere elementer kan også være ustabile og fortsætte som en radioaktiv henfaldskæde, der kan omfatte et dusin eller flere elementer og tage millioner af år at gennemføre.

En urankerne opdeles i to lettere elementer, når den absorberer en omstrejfende neutron; neutronen destabiliserer kernen, hvilket gør den mere tilbøjelig til at gennemgå en fission. Fordi en fission producerer frie neutroner, kan de ramme nærliggende atomer, hvilket får dem til også at splitte, hvilket skaber en kædereaktion af fissionshændelser. Da nukleare reaktioner er kvantemekaniske, styres de af sandsynligheder og tilfældigheder. Når kædereaktioner er mindre tilbøjelige til at forekomme, dør de ud, da færre og færre neutroner udløser successive fissioner. Når omstændigheder favoriserer kædereaktioner, fortsætter fissioner jævnt. Og når fissioner er meget sandsynlige, accelererer kædereaktioner og splitter et hurtigt stigende antal atomer og frigiver deres energi.

Sandsynligheden for fissioner og kædereaktioner afhænger delvist af massen af ​​det involverede radioaktive materiale. På et punkt kaldet kritisk masse er kædereaktionerne stort set selvbærende, men ikke stigende. Hvert radioaktivt element har en specifik kritisk masse for en kugle af stoffet; for eksempel er den kritiske masse af uran-235 56 kg, hvorimod kun 11 kg plutonium-239 er påkrævet. Forskere, der vedligeholder lagre af radioaktive materialer, opbevarer dem på en sådan måde, at disse mængder aldrig forekommer i samme generelle nærhed; ellers kan de frembringe voldelige udbrud af dødelig stråling.

For en sfærisk form af radioaktivt stof øger massen at øge antallet af neutroner, der afgives på et givet øjeblik, og sandsynligheden for, at fissioner fører til kædereaktioner. Mængder, der er mindre end en kritisk masse af et radioaktivt element, har kædereaktioner, men de er mere tilbøjelige til at dø ud end fortsætte. Ud over den kritiske masse stiger fissionshastigheden, hvilket fører til en farlig situation uden for kontrol. Atomkraftværker bruger underkritiske mængder radioaktive elementer - nok til at producere generøse mængder kraft, men som af sikkerhedsmæssige årsager aldrig kan føre til en nuklear eksplosion. Atombomber bruger derimod en mængde materialer meget tættere på en kritisk masse. En atombombe forbliver underkritisk, indtil den udløses med et burst af neutroner og presses af en sprængning af konventionelle højeksplosiver. Sprængstofferne får materialet til at blive kortvarigt superkritisk; kædereaktioner bliver ude af kontrol i løbet af få milliontedele af et sekund og frigiver energiækvivalenten til titusinder af TNT.