Kvantfysikbegreppet kritisk massa

I den subatomära sfären som regleras av kvantmekanikens regler ger en process som kallas fission den grundläggande energikällan för både atombomber och kärnreaktorer. Vad som skiljer dessa två väldigt olika resultat - det ena våldsamma, det andra kontrollerade - är begreppet kritiskt massa, en imaginär skiljelinje som avgör om en kärnreaktion är långsam och långvarig eller snabb och kortlivad.

Atomer av instabila element som uran och plutonium delas upp i par lättare element när de genomgår radioaktivt sönderfall, en process som kallas klyvning. Till exempel kan uran-235 dela upp i krypton-89 och barium-144, en klyvning som också avger två kvarvarande neutroner. De lättare elementen kan också vara instabila och fortsätta som en radioaktiv sönderfallskedja som kan innehålla ett dussin eller flera element och ta miljontals år att slutföra.

En urankärna delar sig i två lättare element när den absorberar en vilse neutron; neutronen destabiliserar kärnan, vilket gör det mer sannolikt att genomgå en klyvning. Eftersom en klyvning producerar fria neutroner kan de träffa angränsande atomer, vilket får dem att också dela sig, vilket skapar en kedjereaktion av klyvningshändelser. Eftersom kärnreaktioner är kvantmekaniska till sin natur styrs de av sannolikhet och slump. När det är mindre troligt att kedjereaktioner inträffar dör de ut, eftersom färre och färre neutroner utlöser successiva fissioner. När omständigheterna gynnar kedjereaktioner fortsätter klyvningarna på ett stadigt sätt. Och när klyvningar är mycket troliga accelererar kedjereaktioner, delar upp ett snabbt ökande antal atomer och släpper ut deras energi.

Sannolikheten för klyvningar och kedjereaktioner beror delvis på massan av det involverade radioaktiva materialet. Vid en punkt som kallas kritisk massa är kedjereaktionerna till stor del självbärande men ökar inte. Varje radioaktivt element har en specifik kritisk massa för en sfär av ämnet; till exempel är den kritiska massan av uran-235 56 kg, medan endast 11 kg plutonium-239 krävs. Forskare som underhåller lager av radioaktiva material lagrar dem på ett sådant sätt att dessa kvantiteter aldrig förekommer i samma allmänna närhet; i annat fall kan de producera våldsamma utbrott av dödlig strålning.

För en sfärisk form av radioaktivt ämne ökar massan antalet neutroner som avges vid ett visst ögonblick och sannolikheten för att klyvningar leder till kedjereaktioner. Mängder som är mindre än en kritisk massa av ett radioaktivt element har kedjereaktioner men de är mer benägna att dö ut än att fortsätta. Utöver den kritiska massan ökar klyvningshastigheten, vilket leder till en farlig, utom kontroll. Kärnkraftverk använder underkritiska mängder radioaktiva element - tillräckligt för att producera generösa mängder kraft men som av säkerhetsskäl aldrig kan leda till en kärnkraftsexplosion. Atombomber använder däremot en mängd material mycket närmare en kritisk massa. En atombombe förblir underkritisk tills den utlöses med ett neutronutbrott och pressas av en explosion av konventionella högsprängämnen. Sprängämnena gör att materialet tillfälligt blir superkritiskt; kedjereaktioner blir utom kontroll på några miljondelar av en sekund, vilket frigör energiekvivalenten till tiotusentals ton TNT.