Koncept kvantovej fyziky kritickej hmotnosti

V subatómovej oblasti riadenej pravidlami kvantovej mechaniky poskytuje proces nazývaný štiepenie základný zdroj energie pre atómové bomby aj pre jadrové reaktory. To, čo oddeľuje tieto dva nesmierne odlišné výsledky - jeden násilný a druhý kontrolovaný - je koncept kritického hmota, pomyselná deliaca čiara, ktorá určuje, či je jadrová reakcia pomalá a predĺžená alebo rýchla a krátkodobý.

Atómy nestabilných prvkov, ako sú urán a plutónium, sa rozdelia na páry ľahších prvkov, keď prechádzajú rádioaktívnym rozpadom, čo je proces nazývaný štiepenie. Napríklad urán-235 sa môže rozdeliť na kryptón-89 a bárium-144, čo je štiepenie, ktoré emituje aj dva zvyšné neutróny. Ľahšie prvky môžu byť tiež nestabilné a budú pokračovať ako reťazec rádioaktívneho rozpadu, ktorý môže obsahovať tucet alebo viac prvkov a dokončenie bude trvať milióny rokov.

Keď absorbuje bludný neutrón, jadro uránu sa rozdelí na dva ľahšie prvky; neutrón destabilizuje jadro, čo zvyšuje pravdepodobnosť jeho štiepenia. Pretože štiepenie produkuje voľné neutróny, môžu zasiahnuť susedné atómy a spôsobiť tak ich štiepenie, čo vedie k reťazovej reakcii štiepnych udalostí. Pretože jadrové reakcie sú svojou povahou kvantovo mechanické, riadia sa nimi pravdepodobnosti a náhoda. Keď je menej pravdepodobné, že dôjde k reťazovým reakciám, dôjde k ich zániku, pretože čoraz menej neutrónov spúšťa postupné štiepenie. Ak okolnosti uprednostňujú reťazové reakcie, štiepenie pokračuje stabilným spôsobom. A keď sú emisie veľmi pravdepodobné, reťazové reakcie sa zrýchľujú, štiepia rýchlo rastúci počet atómov a uvoľňujú ich energiu.

Pravdepodobnosť štiepenia a reťazových reakcií čiastočne závisí od hmotnosti použitého rádioaktívneho materiálu. V bode, ktorý sa nazýva kritické množstvo, sú reťazové reakcie zväčša sebestačné, ale nezvyšujú sa. Každý rádioaktívny prvok má špecifické kritické množstvo pre sféru látky; napríklad kritické množstvo uránu-235 je 56 kg, zatiaľ čo je potrebných iba 11 kg plutónia-239. Vedci, ktorí udržiavajú zásoby rádioaktívnych materiálov, ich ukladajú tak, aby sa tieto množstvá nikdy nevyskytovali v rovnakom všeobecnom okolí; inak môžu spôsobiť prudké výbuchy smrteľného žiarenia.

Pre sférický tvar rádioaktívnej látky zväčšenie hmotnosti zvyšuje počet neutrónov vydaných v danom okamihu a pravdepodobnosť, že štiepenie povedie k reťazovým reakciám. Množstvá menšie ako kritické množstvo rádioaktívneho prvku majú reťazové reakcie, je však pravdepodobnejšie, že vyhynú, ako budú pokračovať. Okrem kritického množstva sa zvyšuje miera štiepenia, čo vedie k nebezpečnej situácii mimo kontroly. Jadrové elektrárne využívajú podkritické množstvá rádioaktívnych prvkov - dosť na to, aby produkovali veľké množstvo energie, ale ktoré z bezpečnostných dôvodov nikdy nemôžu viesť k jadrovému výbuchu. Atómové bomby naproti tomu používajú množstvo materiálov oveľa bližšie k kritickému množstvu. Atómová bomba zostáva podkritická, až kým nie je spustená výbuchom neutrónov a nestlačená výbuchom konvenčných výbušnín. Výbušniny spôsobujú, že sa materiál stáva na chvíľu nadkritický; reťazové reakcie sa vymknú spod kontroly za niekoľko milióntin sekundy, čím sa uvoľní energetický ekvivalent desiatok tisíc ton TNT.