Het kwantumfysicaconcept van kritische massa

In het subatomaire rijk dat wordt beheerst door de regels van de kwantummechanica, vormt een proces dat splijting wordt genoemd, de fundamentele energiebron voor zowel atoombommen als kernreactoren. Wat deze twee totaal verschillende resultaten van elkaar scheidt - de ene gewelddadig, de andere gecontroleerd - is het concept van kritische massa, een denkbeeldige scheidslijn die bepaalt of een kernreactie langzaam en langdurig of snel is en van korte duur.

Atomen van onstabiele elementen zoals uranium en plutonium splitsen zich in paren van lichtere elementen wanneer ze radioactief verval ondergaan, een proces dat splijting wordt genoemd. Uranium-235 kan bijvoorbeeld worden gesplitst in krypton-89 en barium-144, een splijting die ook twee overgebleven neutronen uitzendt. De lichtere elementen kunnen ook onstabiel zijn en doorgaan als een radioactieve vervalketen die een tiental of meer elementen kan bevatten en miljoenen jaren nodig heeft om te voltooien.

Een uraniumkern splitst zich in twee lichtere elementen wanneer deze een verdwaald neutron absorbeert; het neutron destabiliseert de kern, waardoor het meer kans heeft om een ​​splijting te ondergaan. Omdat een splijting vrije neutronen produceert, kunnen ze naburige atomen treffen, waardoor ze ook splitsen, waardoor een kettingreactie van splijtingsgebeurtenissen ontstaat. Omdat kernreacties kwantummechanisch van aard zijn, worden ze geregeerd door waarschijnlijkheden en toeval. Wanneer kettingreacties minder snel optreden, sterven ze uit, omdat steeds minder neutronen opeenvolgende splijtingen veroorzaken. Wanneer de omstandigheden kettingreacties bevorderen, gaan de splijtingen gestaag door. En wanneer splijtingen zeer waarschijnlijk zijn, versnellen kettingreacties, waarbij een snel toenemend aantal atomen wordt gesplitst en hun energie vrijkomt.

De kans op splijtingen en kettingreacties is mede afhankelijk van de massa van het radioactieve materiaal. Op een punt dat kritische massa wordt genoemd, houden de kettingreacties grotendeels zichzelf in stand, maar nemen niet toe. Elk radioactief element heeft een specifieke kritische massa voor een bol van de stof; de kritische massa van uranium-235 is bijvoorbeeld 56 kg, terwijl er slechts 11 kg plutonium-239 nodig is. Wetenschappers die voorraden radioactieve stoffen aanhouden, slaan deze zodanig op dat deze hoeveelheden nooit in dezelfde algemene omgeving voorkomen; anders kunnen ze gewelddadige uitbarstingen van dodelijke straling produceren.

Voor een bolvorm van radioactieve stof vergroot de massa het aantal neutronen dat op een bepaald moment wordt afgegeven en de kans dat splijtingen tot kettingreacties leiden. Hoeveelheden kleiner dan een kritische massa van een radioactief element hebben kettingreacties, maar ze zullen eerder uitsterven dan doorgaan. Voorbij de kritische massa neemt het aantal splijtingen toe, wat leidt tot een gevaarlijke, onbeheersbare situatie. Kerncentrales gebruiken subkritische hoeveelheden radioactieve elementen -- genoeg om royale hoeveelheden energie te produceren, maar die om veiligheidsredenen nooit tot een nucleaire explosie kunnen leiden. Atoombommen gebruiken daarentegen een hoeveelheid materialen die veel dichter bij een kritische massa ligt. Een atoombom blijft subkritisch totdat hij wordt geactiveerd met een uitbarsting van neutronen en wordt samengedrukt door een explosie van conventionele explosieven. De explosieven zorgen ervoor dat het materiaal tijdelijk superkritisch wordt; kettingreacties lopen in een paar miljoenste van een seconde uit de hand, waarbij het energie-equivalent van tienduizenden tonnen TNT vrijkomt.