Il concetto di fisica quantistica di massa critica

Nel regno subatomico governato dalle regole della meccanica quantistica, un processo chiamato fissione fornisce la fonte fondamentale di energia sia per le bombe atomiche che per i reattori nucleari. Ciò che separa questi due risultati molto diversi - uno violento, l'altro controllato - è il concetto di critico massa, una linea divisoria immaginaria che determina se una reazione nucleare è lenta e prolungata o rapida e rapid di breve durata.

Gli atomi di elementi instabili come l'uranio e il plutonio si dividono in coppie di elementi più leggeri quando subiscono un decadimento radioattivo, un processo chiamato fissione. Ad esempio, l'uranio-235 può dividersi in krypton-89 e bario-144, una fissione che emette anche due neutroni rimanenti. Gli elementi più leggeri possono anche essere instabili, continuando come una catena di decadimento radioattivo che può includere una dozzina o più elementi e impiegare milioni di anni per essere completata.

Un nucleo di uranio si divide in due elementi più leggeri quando assorbe un neutrone vagante; il neutrone destabilizza il nucleo, rendendolo più probabile che subisca una fissione. Poiché una fissione produce neutroni liberi, possono colpire gli atomi vicini, provocandone la scissione, creando una reazione a catena di eventi di fissione. Poiché le reazioni nucleari sono di natura quantomeccanica, sono governate da probabilità e caso. Quando le reazioni a catena hanno meno probabilità di verificarsi, si estinguono, poiché sempre meno neutroni innescano fissioni successive. Quando le circostanze favoriscono le reazioni a catena, le fissioni continuano in modo costante. E quando le fissioni sono molto probabili, le reazioni a catena accelerano, dividendo un numero in rapida crescita di atomi e rilasciando la loro energia.

La probabilità di fissioni e reazioni a catena dipende in parte dalla massa del materiale radioattivo coinvolto. In un punto chiamato massa critica, le reazioni a catena sono in gran parte autosufficienti ma non in aumento. Ogni elemento radioattivo ha una massa critica specifica per una sfera della sostanza; ad esempio, la massa critica dell'uranio-235 è di 56 kg, mentre sono necessari solo 11 kg di plutonio-239. Gli scienziati che mantengono scorte di materiali radioattivi li immagazzinano in modo tale che queste quantità non si trovino mai nelle stesse vicinanze generali; in caso contrario, possono produrre violente esplosioni di radiazioni letali.

Per una forma sferica di sostanza radioattiva, aumentando la massa aumenta il numero di neutroni emessi in un dato momento e la probabilità che le fissioni portino a reazioni a catena. Quantità più piccole di una massa critica di un elemento radioattivo hanno reazioni a catena ma è più probabile che si estinguano che continuino. Oltre la massa critica, il tasso di fissione aumenta, portando a una situazione pericolosa e fuori controllo. Le centrali nucleari utilizzano quantità subcritiche di elementi radioattivi, sufficienti per produrre quantità generose di energia ma che, per motivi di sicurezza, non possono mai portare a un'esplosione nucleare. Le bombe atomiche, al contrario, utilizzano una quantità di materiali molto più vicina a una massa critica. Una bomba atomica rimane sub-critica finché non viene innescata con un'esplosione di neutroni e schiacciata da un'esplosione di esplosivi convenzionali ad alto potenziale. Gli esplosivi fanno sì che il materiale diventi momentaneamente supercritico; le reazioni a catena diventano fuori controllo in pochi milionesimi di secondo, liberando l'equivalente energetico di decine di migliaia di tonnellate di tritolo.