Στην υποατομική σφαίρα που διέπεται από τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, μια διαδικασία που ονομάζεται σχάση παρέχει τη θεμελιώδη πηγή ενέργειας τόσο για τις ατομικές βόμβες όσο και για τους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Αυτό που διαχωρίζει αυτά τα δύο πολύ διαφορετικά αποτελέσματα - το ένα βίαιο, το άλλο ελεγχόμενο - είναι η έννοια της κριτικής μάζα, μια φανταστική διαχωριστική γραμμή που καθορίζει εάν μια πυρηνική αντίδραση είναι αργή και παρατεταμένη ή γρήγορη και βραχύβια.
Ατομική σχάση
Άτομα ασταθών στοιχείων όπως το ουράνιο και το πλουτώνιο χωρίζονται σε ζεύγη ελαφρύτερων στοιχείων όταν υφίστανται ραδιενεργή διάσπαση, μια διαδικασία που ονομάζεται σχάση. Για παράδειγμα, το ουράνιο-235 μπορεί να χωριστεί σε κρυπτόν-89 και βαρίου-144, μια σχάση που εκπέμπει επίσης δύο εναπομείναντα νετρόνια. Τα ελαφρύτερα στοιχεία μπορεί επίσης να είναι ασταθή, να συνεχίζονται ως μια ραδιενεργή αλυσίδα αποσύνθεσης που μπορεί να περιλαμβάνει δώδεκα ή περισσότερα στοιχεία και χρειάζονται εκατομμύρια χρόνια για να ολοκληρωθούν.
Αντιδράσεις αλυσίδας και πιθανότητα
Ένας πυρήνας ουρανίου χωρίζεται σε δύο ελαφρύτερα στοιχεία όταν απορροφά ένα αδέσποτο νετρόνιο. το νετρόνιο αποσταθεροποιεί τον πυρήνα, καθιστώντας πιο πιθανό να υποστεί σχάση. Επειδή μια σχάση παράγει ελεύθερα νετρόνια, μπορεί να χτυπήσουν γειτονικά άτομα, αναγκάζοντάς τα να διαχωριστούν, δημιουργώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση συμβάντων σχάσης. Καθώς οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι κβαντικής μηχανικής φύσης, καθορίζονται από πιθανότητες και τύχη. Όταν οι αλυσιδωτές αντιδράσεις είναι λιγότερο πιθανό να συμβούν, εξαφανίζονται, καθώς λιγότερα νετρόνια προκαλούν διαδοχικές σχάσεις. Όταν οι περιστάσεις ευνοούν τις αλυσιδωτές αντιδράσεις, οι σχάσεις συνεχίζονται με σταθερό τρόπο. Και όταν είναι πολύ πιθανές οι σχάσεις, οι αλυσιδωτές αντιδράσεις επιταχύνονται, χωρίζοντας έναν ταχέως αυξανόμενο αριθμό ατόμων και απελευθερώνοντας την ενέργειά τους.
Κρίσιμη μάζα
Η πιθανότητα σχισμών και αλυσιδωτών αντιδράσεων εξαρτάται εν μέρει από τη μάζα του ραδιενεργού υλικού που εμπλέκεται. Σε ένα σημείο που ονομάζεται κρίσιμη μάζα, οι αλυσιδωτές αντιδράσεις είναι σε μεγάλο βαθμό αυτοσυντηρούμενες αλλά δεν αυξάνονται. Κάθε ραδιενεργό στοιχείο έχει μια συγκεκριμένη κρίσιμη μάζα για μια σφαίρα της ουσίας. Για παράδειγμα, η κρίσιμη μάζα ουρανίου-235 είναι 56 κιλά, ενώ απαιτούνται μόνο 11 κιλά πλουτωνίου-239. Οι επιστήμονες που διατηρούν αποθέματα ραδιενεργών υλικών τα αποθηκεύουν με τέτοιο τρόπο ώστε αυτές οι ποσότητες να μην εμφανίζονται ποτέ στην ίδια γενική περιοχή. Διαφορετικά, ενδέχεται να προκαλέσουν βίαιες εκρήξεις θανατηφόρου ακτινοβολίας.
Υποκριτική και υπερκρίσιμη μάζα
Για ένα σφαιρικό σχήμα ραδιενεργού ουσίας, η αύξηση της μάζας αυξάνει τον αριθμό των νετρονίων που εκπέμπονται σε μια δεδομένη στιγμή και την πιθανότητα οι σχάσεις να οδηγήσουν σε αλυσιδωτές αντιδράσεις. Οι ποσότητες μικρότερες από μια κρίσιμη μάζα ραδιενεργού στοιχείου έχουν αλυσιδωτές αντιδράσεις, αλλά είναι πιο πιθανό να εξαφανιστούν παρά να συνεχιστούν. Πέρα από την κρίσιμη μάζα, ο ρυθμός σχάσεων αυξάνεται, οδηγώντας σε μια επικίνδυνη κατάσταση εκτός ελέγχου. Οι πυρηνικοί σταθμοί χρησιμοποιούν δευτερεύουσες κρίσιμες ποσότητες ραδιενεργών στοιχείων - αρκετά για να παράγουν γενναιόδωρες ποσότητες ενέργειας, αλλά οι οποίες, για λόγους ασφαλείας, δεν μπορούν ποτέ να οδηγήσουν σε πυρηνική έκρηξη. Οι βόμβες Atom, αντίθετα, χρησιμοποιούν μια ποσότητα υλικών πολύ πιο κοντά σε μια κρίσιμη μάζα. Μια ατομική βόμβα παραμένει υπο-κρίσιμη έως ότου ενεργοποιηθεί με μια έκρηξη νετρονίων και συμπιεστεί από μια έκρηξη συμβατικών υψηλών εκρηκτικών. Τα εκρηκτικά προκαλούν το υλικό να γίνει στιγμιαία υπερκρίσιμο. οι αλυσιδωτές αντιδράσεις γίνονται εκτός ελέγχου σε λίγα εκατοστά του δευτερολέπτου, απελευθερώνοντας το ισοδύναμο ενέργειας δεκάδων χιλιάδων τόνων TNT.