Kritické množství nebo též kritická hmotnost je pojem z fyziky, který udává minimální hustotu volných neutronů v daném objemu (minimální množství či hmotnost štěpného materiálu), zaručující, že v daném objemu při štěpné reakci (štěpné jaderné reakci – po rozpadu atomových jader) bude množství vzniklých neutronů dostatečné na to, aby se rozštěpila další atomová jádra dříve, nežli neutrony z látky uniknou nebo budou případně pohlceny – že nastane řetězová štěpná reakce (hustota volných neutronů bude nadále růst).[1]
Při nadkritické hmotnosti (hustotě volných neutronů) roste množství neutronů exponenciálně, a situace proto směřuje k výbuchu.
Bližší vysvětlení pojmu a souvislostí
Kritické množství se nevztahuje přímo k vlastní hmotnosti materiálu, ale k hustotě volných neutronů v daném objemu.
Otázka na kritické množství tedy zní: jak hustý neutronový mrak potřebuji, aby bylo volnými neutrony zasaženo s dostatečně vysokou pravděpodobností tolik jader štěpného materiálu, aby po rozpadu jader hustota neutronového mraku[kdo?] rostla.
Zajištění tohoto, tzv. kritického stavu je možné několika způsoby:
- Klasicky je to použitím dostatečného množství materiálu se samovolným rozpadem (spontánním štěpením – rozuměj produkcí neutronů) soustředěným v tělese s minimálním povrchem (kudy neutrony z reakce unikají) a maximálním objemem materiálu (tedy koule) a to buď složením z více částí, nebo po přeformování výbuchem z jiného výchozího tvaru.
- Další možností je "uprchlé" neutrony do reakce vracet odrazem, tedy tzv. zrcadlem – to bývá zhotoveno z berylia, popř. ze železa. Zrcadlo dokáže odrazem zvýšit hustotu mraku až trojnásobně a tedy snížit "kritickou hmotnost" až na 1/3.
- V pořadí následuje např. zmenšení reakčního objemu, což je princip, na kterém pracuje většina moderních náloží – tzv. implozivní jádro. Spočívá ve stlačení jádra výbuchem trhaviny, kterou je jádro obaleno. Různé zdroje uvádějí poměr stlačení až 1:10 – potřebujete tedy teoreticky 1/10 "kritické hmotnosti". Vyplývá z toho, že potřebujete odborníka na trhaviny, pokud se má jádro stlačit a nikoliv rozprášit po okolí.
- Celkem často uváděnou možností je tzv. jaderná rozbuška – do podkritického stavu vložíte náhle materiál s vysokou produkcí volných neutronů a tím dosáhnete nadkritického stavu.
- Je také možné prodloužit dobu setrvání neutronů v kritickém objemu jejich zbrzděním – moderací. S výhodou se této role ujímá ochuzený uran (tamper). Kromě zbrzdění neutronů (letargii) v něm dojde, vlivem jejich částečného pohlcení, i k přeměně na aktivní 235U,[zdroj?] který následně přispívá k reakci.
Kritická hmotnost je závislá na druhu, čistotě, koncentraci a tvaru štěpného materiálu:
- druh – nejmenší kritické množství je třeba pro materiál s jádry štěpitelnými pomalými neutrony a s vysokým účinným průřezem interakce (např. uran 235U). Účinným průřezem se má na mysli plocha jádra prvku zasažitelná účinně neutronem.
- čistota – přítomnost látek absorbujících neutrony kritickou hmotnost zvyšuje (neúčinně je pohlcuje)
- koncentrace – pokud je koncentrace štěpného materiálu menší než 100%, kritická hmotnost výrazně roste. Tím se má na mysli to, že materiál podléhá neustálé degradaci vlivem samovolného rozpadu, takže i kdyby měl kýžených 100% v okamžiku ukončení výroby, už za chvíli to tak nebude
- tvar – nejnižší kritická hmotnost je pro tvar s nejmenším možným povrchem (kdy do okolního prostoru uniká co nejméně neutronů), tedy koule.
Příklady kritických hmotností pro různé materiály
Příklady kritické hmotnosti pro různé štěpné materiály:[1]
- uran 235U: kritická hmotnost čistého materiálu pro kulové uspořádání je 48 kg, tato koule by měla průměr asi 18 cm
- uran 233U: kritická hmotnost čistého materiálu pro kulové uspořádání je 16 kg, tato koule by měla průměr asi 12 cm
- plutonium 239Pu: kritická hmotnost čistého materiálu pro kulové uspořádání je 17 kg, tato koule by měla průměr asi 12 cm
Odkazy
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
