แนวคิดควอนตัมฟิสิกส์ของมวลวิกฤต

ในขอบเขตย่อยของอะตอมที่ควบคุมโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม กระบวนการที่เรียกว่าฟิชชันเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานพื้นฐานสำหรับทั้งระเบิดปรมาณูและเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ สิ่งที่แยกผลลัพธ์ที่แตกต่างกันอย่างมากทั้งสองนี้ - หนึ่งรุนแรง อีกอันควบคุม - เป็นแนวคิดของการวิจารณ์ มวล เส้นแบ่งจินตภาพที่กำหนดว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์จะช้าและยาวนานหรือเร็วและ อายุสั้น

อะตอมของธาตุที่ไม่เสถียร เช่น ยูเรเนียมและพลูโทเนียมจะแยกออกเป็นคู่ของธาตุที่เบากว่าเมื่อได้รับการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี กระบวนการที่เรียกว่าฟิชชัน ตัวอย่างเช่น ยูเรเนียม-235 อาจแยกออกเป็นคริปทอน-89 และแบเรียม-144 ซึ่งเป็นฟิชชันที่ปล่อยนิวตรอนที่เหลือออกมาสองนิวตรอน ธาตุที่เบากว่าก็อาจไม่เสถียรเช่นกัน โดยต่อเนื่องเป็นห่วงโซ่การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี ซึ่งอาจรวมถึงองค์ประกอบหลายสิบชนิดขึ้นไป และต้องใช้เวลาหลายล้านปีจึงจะเสร็จสมบูรณ์

นิวเคลียสของยูเรเนียมจะแยกออกเป็นสององค์ประกอบที่เบากว่าเมื่อดูดซับนิวตรอนที่หลงทาง นิวตรอนทำให้นิวเคลียสไม่เสถียร ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดฟิชชันมากขึ้น เนื่องจากฟิชชันทำให้เกิดนิวตรอนอิสระ พวกมันอาจกระทบอะตอมข้างเคียง ทำให้พวกมันแตกตัว สร้างปฏิกิริยาลูกโซ่ของเหตุการณ์ฟิชชัน เนื่องจากปฏิกิริยานิวเคลียร์มีลักษณะเป็นกลไกควอนตัม จึงถูกควบคุมโดยความน่าจะเป็นและโอกาส เมื่อปฏิกิริยาลูกโซ่มีโอกาสน้อยที่จะเกิดขึ้น ปฏิกิริยาเหล่านี้จะหายไป เนื่องจากนิวตรอนน้อยลงเรื่อยๆ ทำให้เกิดการแยกตัวต่อเนื่องกัน เมื่อสถานการณ์เอื้ออำนวยต่อปฏิกิริยาลูกโซ่ การเกิดฟิชชันจะดำเนินต่อไปอย่างมั่นคง และเมื่อมีโอกาสเกิดการแยกตัว ปฏิกิริยาลูกโซ่จะเร่งตัวขึ้น แยกอะตอมที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานออกมา

ความน่าจะเป็นของการเกิดฟิชชันและปฏิกิริยาลูกโซ่ขึ้นอยู่กับมวลของสารกัมมันตภาพรังสีที่เกี่ยวข้อง ณ จุดหนึ่งที่เรียกว่ามวลวิกฤต ปฏิกิริยาลูกโซ่ส่วนใหญ่จะอยู่ได้ด้วยตัวเองแต่ไม่เพิ่มขึ้น ธาตุกัมมันตภาพรังสีแต่ละชนิดมีมวลวิกฤตเฉพาะสำหรับทรงกลมของสาร ตัวอย่างเช่น มวลวิกฤตของยูเรเนียม-235 คือ 56 กก. ในขณะที่ต้องการพลูโทเนียม -239 เพียง 11 กก. นักวิทยาศาสตร์ที่เก็บรักษาวัสดุกัมมันตภาพรังสีไว้ในลักษณะที่ปริมาณเหล่านี้ไม่เคยเกิดขึ้นในบริเวณใกล้เคียงทั่วไป มิฉะนั้น อาจก่อให้เกิดการระเบิดอย่างรุนแรงของรังสีอันตรายถึงชีวิต

สำหรับรูปทรงกลมของสารกัมมันตภาพรังสี การเพิ่มมวลจะเพิ่มจำนวนนิวตรอนที่ปล่อยออกมาในช่วงเวลาที่กำหนด และความน่าจะเป็นที่ฟิชชันจะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ปริมาณที่น้อยกว่ามวลวิกฤตของธาตุกัมมันตรังสีมีปฏิกิริยาลูกโซ่ แต่พวกมันมีแนวโน้มที่จะตายมากกว่าที่จะดำเนินต่อไป นอกเหนือจากมวลวิกฤต อัตราการแตกตัวเพิ่มขึ้น นำไปสู่สถานการณ์ที่เป็นอันตรายและควบคุมไม่ได้ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้ธาตุกัมมันตภาพรังสีในปริมาณที่ต่ำกว่าวิกฤต ซึ่งเพียงพอที่จะผลิตพลังงานในปริมาณที่พอเหมาะ แต่ด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย ไม่เคยทำให้เกิดการระเบิดของนิวเคลียร์ ในทางตรงกันข้าม ระเบิดปรมาณูใช้วัสดุปริมาณมากใกล้กับมวลวิกฤต ระเบิดปรมาณูยังคงมีความสำคัญรองลงมาจนกว่าจะถูกกระตุ้นด้วยการระเบิดของนิวตรอนและถูกบีบอัดด้วยระเบิดของวัตถุระเบิดแรงสูงแบบธรรมดา วัตถุระเบิดทำให้วัสดุกลายเป็นวิกฤตยิ่งยวดชั่วขณะ ปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่สามารถควบคุมได้ภายในเวลาไม่กี่วินาที โดยปล่อยพลังงานเทียบเท่ากับทีเอ็นทีหลายหมื่นตัน