Fizyka kwantowa koncepcja masy krytycznej

W subatomowej sferze rządzonej zasadami mechaniki kwantowej proces zwany rozszczepieniem zapewnia podstawowe źródło energii zarówno dla bomb atomowych, jak i reaktorów jądrowych. Tym, co oddziela te dwa bardzo różne wyniki – jeden brutalny, drugi kontrolowany – jest koncepcja krytycyzmu masa, wyimaginowana linia podziału, która określa, czy reakcja jądrowa jest powolna i długotrwała, czy szybka i krótkotrwały.

Atomy niestabilnych pierwiastków, takich jak uran i pluton, rozpadają się na pary lżejszych pierwiastków, gdy ulegają radioaktywnemu rozpadowi, procesowi zwanemu rozszczepieniem. Na przykład uran-235 może rozszczepić się na krypton-89 i bar-144, w wyniku rozszczepienia, które również emituje dwa pozostałe neutrony. Lżejsze pierwiastki mogą również być niestabilne, kontynuując jako łańcuch rozpadu promieniotwórczego, który może zawierać kilkanaście lub więcej pierwiastków, a jego ukończenie może zająć miliony lat.

Jądro uranu dzieli się na dwa lżejsze pierwiastki, gdy absorbuje zabłąkany neutron; neutron destabilizuje jądro, zwiększając prawdopodobieństwo rozszczepienia. Ponieważ rozszczepienie wytwarza wolne neutrony, mogą one uderzać w sąsiednie atomy, powodując ich również rozszczepienie, tworząc reakcję łańcuchową zdarzeń rozszczepienia. Ponieważ reakcje jądrowe mają charakter mechaniki kwantowej, rządzą nimi prawdopodobieństwo i przypadek. Kiedy reakcje łańcuchowe są mniej prawdopodobne, wymierają, ponieważ coraz mniej neutronów wyzwala kolejne rozszczepienia. Gdy okoliczności sprzyjają reakcjom łańcuchowym, rozszczepienia trwają w stałym tempie. A kiedy rozszczepienia są bardzo prawdopodobne, reakcje łańcuchowe przyspieszają, rozszczepiając gwałtownie rosnącą liczbę atomów i uwalniając ich energię.

Prawdopodobieństwo rozszczepienia i reakcji łańcuchowych zależy częściowo od masy zaangażowanego materiału radioaktywnego. W punkcie zwanym masą krytyczną reakcje łańcuchowe są w dużej mierze samowystarczalne, ale nie wzrastają. Każdy pierwiastek promieniotwórczy ma określoną masę krytyczną dla sfery substancji; na przykład masa krytyczna uranu-235 wynosi 56 kg, podczas gdy wymagane jest tylko 11 kg plutonu-239. Naukowcy, którzy utrzymują zapasy materiałów radioaktywnych, przechowują je w taki sposób, że ilości te nigdy nie występują w tym samym ogólnym sąsiedztwie; w przeciwnym razie mogą wytwarzać gwałtowne wybuchy śmiertelnego promieniowania.

W przypadku kulistego kształtu substancji radioaktywnej, zwiększenie masy zwiększa liczbę neutronów emitowanych w danym momencie i prawdopodobieństwo, że rozszczepienia prowadzą do reakcji łańcuchowych. Ilości mniejsze niż masa krytyczna pierwiastka promieniotwórczego mają reakcje łańcuchowe, ale jest bardziej prawdopodobne, że wyginą niż będą kontynuowane. Poza masą krytyczną, tempo rozszczepień wzrasta, co prowadzi do niebezpiecznej sytuacji, w której nie ma kontroli. Elektrownie jądrowe wykorzystują podkrytyczne ilości pierwiastków promieniotwórczych - wystarczające do wytworzenia dużych ilości energii, ale które ze względów bezpieczeństwa nigdy nie mogą doprowadzić do wybuchu jądrowego. Natomiast bomby atomowe wykorzystują ilość materiałów o wiele bliższą masie krytycznej. Bomba atomowa pozostaje podkrytyczna, dopóki nie zostanie wyzwolona wybuchem neutronów i ściśnięta przez wybuch konwencjonalnych materiałów wybuchowych. Materiały wybuchowe powodują, że materiał staje się chwilowo nadkrytyczny; reakcje łańcuchowe wymykają się spod kontroli w ciągu kilku milionowych części sekundy, uwalniając energię równoważną dziesiątkom tysięcy ton trotylu.