תפיסת הפיזיקה הקוונטית של מסה קריטית

בתחום התת אטומי הנשלט על ידי כללי מכניקת הקוונטים, תהליך הנקרא ביקוע מספק את מקור האנרגיה הבסיסי הן לפצצות אטום והן לכורים גרעיניים. מה שמפריד בין שתי התוצאות השונות בתכלית - האחת אלימה והשנייה נשלטת - הוא המושג קריטי מסה, קו הפרדה דמיוני הקובע אם תגובה גרעינית איטית וממושכת או מהירה ו קצרת מועד.

אטומים של יסודות לא יציבים כמו אורניום ופלוטוניום מתפצלים לזוגות של יסודות קלים יותר כאשר הם עוברים ריקבון רדיואקטיבי, תהליך הנקרא ביקוע. לדוגמא, אורניום -235 עשוי להתפצל לקריפטון -89 ובריום -144, ביקוע הפולט גם שני נייטרונים שנותרו. האלמנטים הקלים יותר עשויים להיות לא יציבים, וממשיכים כשרשרת ריקבון רדיואקטיבית שעשויה לכלול תריסר יסודות או יותר, ולהשלמתם של מיליוני שנים.

גרעין אורניום מתפצל לשני יסודות קלים יותר כאשר הוא קולט נויטרון תועה; הנויטרון מערער את היציבות של הגרעין, מה שהופך אותו לסבירות גבוהה יותר לעבור ביקוע. מכיוון שביקוע מייצר נויטרונים חופשיים, הם עלולים לפגוע באטומים שכנים, לגרום להם גם להתפצל, וליצור תגובת שרשרת של אירועי ביקוע. מכיוון שהתגובות הגרעיניות הן בעלות אופי מכני קוונטי, הן נשלטות על ידי הסתברויות וסיכוי. כאשר פחות סיכויים להופיע תגובות שרשרת, הן מתות, מכיוון שפחות ופחות נויטרונים מפעילים ביקועים עוקבים. כאשר הנסיבות מעדיפות תגובות שרשרת, הביקועים נמשכים באופן קבוע. וכאשר סביר מאוד לבקעים, תגובות שרשרת מואצות, מפצלות מספר גדל במהירות של אטומים ומשחררות את האנרגיה שלהן.

הסבירות לבקעים ותגובות שרשרת תלויה בחלקה במסת החומר הרדיואקטיבי המעורב. בנקודה הנקראת מסה קריטית, תגובות השרשרת במידה רבה מקיימות את עצמן אך אינן מתגברות. לכל יסוד רדיואקטיבי יש מסה קריטית ספציפית עבור כדור החומר; לדוגמא, המסה הקריטית של אורניום -235 היא 56 ק"ג, ואילו רק 11 ק"ג פלוטוניום -239 נדרש. מדענים המחזיקים מלאי חומרים רדיואקטיביים מאחסנים אותם באופן שכמויות אלה לעולם אינן מתרחשות באותה הסביבה הכללית; אחרת, הם עלולים לייצר פרצי קרינה קטלניים אלימים.

לקבלת צורה כדורית של חומר רדיואקטיבי, הגדלת המסה מגדילה את מספר הנויטרונים שנמסרים ברגע נתון ואת הסבירות כי ביקועים מובילים לתגובות שרשרת. לכמויות הקטנות ממסה קריטית של יסוד רדיואקטיבי יש תגובות שרשרת, אך סביר להניח שהן ימותו מאשר ימשיכו. מעבר למסה הקריטית, קצב הפליטות עולה, מה שמוביל למצב מסוכן ובלתי בשליטה. תחנות כוח גרעיניות משתמשות בכמויות תת קריטיות של אלמנטים רדיואקטיביים - המספיקים לייצור כמויות נדיבות של כוח אך אשר מסיבות בטיחותיות לעולם אינן יכולות להביא לפיצוץ גרעיני. לעומת זאת, פצצות אטום משתמשות בכמות חומרים הרבה יותר קרובה למסה קריטית. פצצת אטום נותרה תת קריטית עד שהיא מופעלת בפרץ נויטרונים ונלחצת על ידי פיצוץ של חומרי נפץ גבוהים קונבנציונליים. חומרי הנפץ גורמים לחומר להיות ממש קריטי; תגובות שרשרת יוצאות משליטה בעוד כמה מיליוניות השנייה, ומשחררות את המקבילה האנרגטית לעשרות אלפי טונות TNT.