Концепт квантне физике критичне масе

У субатомском царству којим управљају правила квантне механике, процес који се назива фисија даје основни извор енергије и за атомске бомбе и за нуклеарне реакторе. Оно што раздваја ова два изузетно различита резултата - један насилни, а други контролисани - јесте концепт критике маса, замишљена линија раздвајања која одређује да ли је нуклеарна реакција спора и продужена или брза и краткотрајна.

Атоми нестабилних елемената попут уранијума и плутонијума деле се на парове лакших елемената када пролазе кроз радиоактивно распадање, процес који се назива фисија. На пример, уранијум-235 може да се подели на криптон-89 и баријум-144, фисију која такође емитује два преостала неутрона. Лакши елементи такође могу бити нестабилни, настављајући се као ланац радиоактивног распада који може садржати десетак или више елемената и којима ће требати милиони година да се заврше.

Језгро уранијума цепа се на два лакша елемента када апсорбује залутали неутрон; неутрон дестабилизује језгро, чинећи вероватније подвргавање фисији. Будући да фисија производи слободне неутроне, они могу ударити суседне атоме, узрокујући и њихово цепање, стварајући ланчану реакцију фисионих догађаја. Како су нуклеарне реакције квантно-механичке природе, њима владају вероватноће и шансе. Када је мање вероватно да ће се десити ланчане реакције, оне изумиру, јер све мање и мање неутрона покреће узастопне фисије. Када околности фаворизују ланчане реакције, фисије се настављају на устаљен начин. А када су фисије врло вероватне, ланчане реакције се убрзавају, раздвајајући све већи број атома и ослобађајући њихову енергију.

Вероватноћа цепања и ланчаних реакција делимично зависи од масе укљученог радиоактивног материјала. У тачки која се назива критична маса, ланчане реакције су углавном самоодрживе, али се не повећавају. Сваки радиоактивни елемент има одређену критичну масу за сферу супстанце; на пример, критична маса уранијума-235 је 56 кг, док је потребно само 11 кг плутонијума-239. Научници који држе залихе радиоактивних материјала складиште их на такав начин да се те количине никада не појављују у истој општој близини; у супротном могу произвести насилне рафале смртоносног зрачења.

За сферни облик радиоактивне супстанце, повећање масе повећава број одатих неутрона у датом тренутку и вероватноћу да фисије доводе до ланчаних реакција. Количине мање од критичне масе радиоактивног елемента имају ланчане реакције, али је већа вероватноћа да ће изумрети него што ће се наставити. Изнад критичне масе, стопа фисија се повећава, што доводи до опасне ситуације ван контроле. Нуклеарне електране користе подкритичне количине радиоактивних елемената - довољно да произведу издашну количину енергије, али које из безбедносних разлога никада не могу довести до нуклеарне експлозије. Атомске бомбе, пак, користе количину материјала много ближу критичној маси. Атомска бомба остаје подкритична све док се не активира рафалним неутроном и истисне експлозијом конвенционалног експлозива. Експлозиви узрокују да материјал на тренутак постане надкритичан; ланчане реакције постају ван контроле за неколико милионитих делова секунде, ослобађајући енергетски еквивалент десетинама хиљада тона ТНТ-а.