臨界質量の量子物理学の概念

量子力学の規則によって支配される亜原子の領域では、核分裂と呼ばれるプロセスが、原子爆弾と原子炉の両方に基本的なエネルギー源を提供します。 これらの2つの大きく異なる結果（一方は暴力的、もう一方は制御されている）を区別するのは、クリティカルの概念です。 質量、核反応が遅くて長いか速いかを決定する架空の分割線 短命。

ウランやプルトニウムなどの不安定な元素の原子は、核分裂と呼ばれるプロセスである放射性崩壊を受けると、軽い元素のペアに分裂します。 たとえば、ウラン235は、クリプトン89とバリウム144に分裂する可能性があります。これは、2つの残りの中性子も放出する核分裂です。 軽い元素も不安定で、放射性崩壊系列として継続します。放射性崩壊系列には、12個以上の元素が含まれ、完了するまでに数百万年かかる場合があります。

ウラン原子核は、漂遊中性子を吸収すると2つの軽い元素に分裂します。 中性子は原子核を不安定にし、核分裂を起こしやすくします。 核分裂は自由中性子を生成するため、それらは隣接する原子に衝突し、それらも分裂させ、核分裂イベントの連鎖反応を引き起こす可能性があります。 核反応は本質的に量子力学的であるため、確率と偶然によって支配されます。 連鎖反応が発生する可能性が低くなると、連続する核分裂を引き起こす中性子がますます少なくなるため、連鎖反応は消滅します。 状況が連鎖反応を好むとき、核分裂は着実に続きます。 そして、核分裂の可能性が非常に高い場合、連鎖反応が加速し、急速に増加する原子の数を分割し、それらのエネルギーを放出します。

核分裂と連鎖反応の可能性は、関与する放射性物質の質量に部分的に依存します。 臨界質量と呼ばれる時点で、連鎖反応は主に自立していますが、増加していません。 各放射性元素には、物質の球体に対して特定の臨界質量があります。 たとえば、ウラン235の臨界質量は56 kgですが、プルトニウム239は11kgしか必要ありません。 放射性物質の備蓄を維持している科学者は、これらの量が同じ一般的な周辺で決して発生しないような方法でそれらを保管します。 そうでなければ、それらは致死量の放射線の激しいバーストを生成する可能性があります。

放射性物質の球形の場合、質量を増やすと、特定の瞬間に放出される中性子の数が増え、核分裂が連鎖反応を引き起こす可能性が高くなります。 放射性元素の臨界質量よりも小さい量は連鎖反応を起こしますが、継続するよりも消滅する可能性が高くなります。 臨界質量を超えると、核分裂の割合が増加し、危険な制御不能な状況につながります。 原子力発電所は、臨界未満の量の放射性元素を使用します。これは、十分な量の電力を生成するのに十分ですが、安全上の理由から、核爆発を引き起こすことはありません。 対照的に、原子爆弾は臨界量にはるかに近い量の物質を使用します。 原子爆弾は、中性子のバーストでトリガーされ、従来の高爆発物の爆発によって圧迫されるまで、未臨界のままです。 爆発物により、材料は瞬間的に超臨界状態になります。 連鎖反応は数百万分の1秒で制御不能になり、数万トンのTNTに相当するエネルギーを放出します。