Masă critică

Parte a re-creării accidentului masei critice din 1945 consta dintr-o sferă de plutoniu care era înconjurată de blocuri de carbură de wolfram, un material care reflectă neutronii. Experimentul originar a fost conceput ca să măsoare radiația produsă atunci când o altă cantitate de material fisionabil este adăugată celei inițiale, deja aflată la limita **masei critice**. În realitate, atunci, **masa a devenit super-critică,** întrucât blocul adăugat a fost scăpat și nu adăugat prin apropiere înceată, incrementală.

Prin masă critică se înțelege cea mai mică cantitate de material fisionabil, care este capabil a întreține o reacție nucleară în lanț. Masa critică a unui material fisionabil depinde de numeroase caracteristici ale elementului (sau ale izotopului acestuia), așa cum sunt proprietățile nucleului atomic (mai exact, secțiunea eficace transversală, densitatea nucleară, forma nucleului, îmbogățire, puritate), temperatură, presiune și alte caracteristici ce țin de mediul ambiant (materialele înconjurătoare și altele).

Conceptul, studierea sa teoretică precum și realizarea sa practică sunt importante mai ales în realizarea armelor nucleare. ^[1]

Criticalitate

Explicația criticalității

Fisiunea nucleară a fost descoperită la data de 17 decembrie 1938 de germanii Otto Hahn și asistentul său, Fritz Strassmann, respectiv explicată teoretic în ianuarie 1939 de alți doi fizicieni germani ai timpului, Lise Meitner și nepotul său, Otto Robert Frisch. Ideea numirii procesului de fisiune nucleară se datorește lui Frisch, prin compararea procesului cu diviziunea celulară a ființelor vii. ^[2]

Explicația criticalității a fost făcută ulterior descoperirii fenomenului de fisiune de catre Lise Meitner și Otto Robert Frisch, iar mai apoi completată (și determinată complet, teoretic și practic, pentru uraniu și plutoniu) de fizicieni ai Proiectului Manhattan.

Când o reacție nucleară în lanț este auto-întreținută, se spune despre masa materialului fisionabil că este într-o stare critică (sau de masă critică), în care punct nu există vreo variație în puterea degajată, temperatură sau populație de neutroni. O măsură numerică a masei critice este dependentă de factorul efectiv de multiplicare al neutronilor (notat cu litera minusculă $k$ ), respectiv numărul mediu de neutroni degajați per fisiune individuală care cauzează alte fisiuni (dar nu a neutronilor ce părăsesc materialul sau sunt absorbiți). Dacă constanta este unitară, $k=1$ , masa este exact cea critică, iar reacția în lanț este cu greu auto-întreținută. ^[3]

Similar, printr-o masă sub-critică, se înțelege o cantitate de material fisionabil, care nu poate susține reacția nucleară în lanț. În acest caz, populația de neutroni liberi este prea mică, iar numărul de neutroni liber produși în timp, va descrește exponențial, cu atât mai repede cu cât masa materialului este mai mică. Constanta k va fi subunitară, $k<1$ .

Printr-o masă super-critică, se înțelege o cantitate de material fisionabil, care este capabilă de a produce în timp un număr de neutroni liber ce crește, astfel încât materialul fisionabil fie își poate găsi o nouă stare de echilibru (ca o funcție de noua temperatură și puterea degajată), fie se poate auto-distruge, dacă echilibrul nu este atins sau este depășit. În cazul supracriticalității constanta este supraunitară, $k>1$ . ^[4]

Modificarea criticalității

Modificarea masei critice poate fi făcută prin modificarea anumitor caracteristici ale materialului fisionabil precum și ale diverselor proprietăți ale mediului. Dintre aceste caracteristici se pot aminti doar câteva mai importante:

Variația cantității și purității de material nuclear fisionabil;
Schimbarea formei date combustibilului nuclear;
Modificarea densității materialului nuclear;
Varierea temperaturii externe și/sau interne a materialului nuclear;
Utilizarea (sau nu) a unei substanțe care reflectă neutronii și
Utilizarea unui material înconjurător dens (care absoarbe greu neutroni).

Exemple de masă critică

Forma ideală a oricărei cantități de material fisionabil care atinge masa critică minimă, având dimensiuni fizice minime este (din motive geometrice evidente) o sferă. Masa critică a unor metale din seria actinidelor, toate distribuite sferic, sînt prezentate în tabelul de mai jos.

Nucleu - izotop	Timp de înjumătățire (în ani sau zile)	Masă critică (în kg)	Diametru (în cm)	Ref
Uraniu - 233	159,200	15	11	^[5]
Uraniu - 235	703,800,000	52	17	^[5]
Neptuniu - 236	154,000	7	8.7	^[6]
Neptuniu - 237	2,144,000	60	18	^[7]^[8]
Plutoniu - 238	87.7	9.04–10.07	9.5–9.9	^[9]
Plutoniu - 239	24,110	10	9.9	^[5]^[9]
Plutoniu - 240	6561	40	15	^[5]
Plutoniu - 241	14.3	12	10.5	^[10]
Plutoniu - 242	375,000	75–100	19–21	^[10]
Americiu - 241	432.2	55–77	20–23	^[11]
Americiu - 242 m	141	9–14	11–13	^[11]
Americiu - 243	7370	180–280	30–35	^[11]
Curiu - 243	29.1	7.34–10	10–11	^[12]
Curiu - 244	18.1	13.5–30	12.4–16	^[12]
Curiu - 245	8500	9.41–12.3	11–12	^[12]
Curiu - 246	4760	39–70.1	18–21	^[12]
Curiu - 247	15,600,000	6.94–7.06	9.9	^[12]
Berkeliu - 247	1380	75.7	11.8-12.2	^[13]
Berkeliu - 249	*330 zile*	192	16.1-16.6	^[13]
Californiu - 249	351	6	9	^[6]
Californiu - 251	290	5	8.5	^[6]
Californiu - 252	2.6	2.73	6.9	^[14]
Einsteiniu - 254	*275.7 zile*	9.89	7.1	^[13]

Alte articole conexe

Utilizarea termenului

În afara domeniului strict al fisiunii nucleare, expresia a cunoscut o frecventă utilizare în varii domenii semnificând (similar cu utilizarea standard) atingerea unui apogeu, al declanșării unui alt grup de evenimente.

Note, referințe

^ Atomic Archives - Despre masa critică
^ „Conceptul de masă critică”. Arhivat din original la 1 octombrie 2015. Accesat în 2 octombrie 2015.
^ Referate RO Arhivat în 3 octombrie 2015, la Wayback Machine. -- Despre energia nucleară și masa critică
^ Referat Arhivat în 4 octombrie 2015, la Wayback Machine. -- Fizică nucleară Uni Buc
^ ^a ^b ^c ^d Nuclear Weapons Design & Materials, The Nuclear Threat Initiative website.
^ ^a ^b ^c Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport, Republic of France, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.
^ Chapter 5, Troubles tomorrow? Separated Neptunium 237 and Americium, Challenges of Fissile Material Control (1999), isis-online.org
^ http://www.lanl.gov/news/index.php?fuseaction=home.story&story_id=1348 Format:Citation broken
^ ^a ^b Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238, U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
^ ^a ^b Amory B. Lovins, Nuclear weapons and power-reactor plutonium, Nature, Vol. 283, No. 5750, pp. 817–823, February 28, 1980
^ ^a ^b ^c http://typhoon.tokai-sc.jaea.go.jp/icnc2003/Proceeding/paper/6.5_022.pdf Format:Citation broken Dias et al.
^ ^a ^b ^c ^d ^e Hirshi Okuno and Hirumitsu Kawasaki, Technical Report, Critical and Subcritical Mass Calculations for Curium-243 to -247 , Japan National Institute of Informatics, Reprinted from Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 39, No. 10, p.1072–1085 (October 2002)Format:Copyvio link
^ ^a ^b ^c Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety. data and limits for actinides in transport", p. 16
^ [1]
^ A Bomb 1
^ Imagini - Proiectarea armelor nucleare
^ „LLNL.gov”. Arhivat din original la 31 ianuarie 2017. Accesat în 5 februarie 2017.
^ Retele Arhivat în 4 octombrie 2015, la Wayback Machine. -- Curs de centrale electrice nucleare -- UCV

Legături externe

Institutul Național de cercetare
Elemente de fizică nucleare - curs (in format PDF)

[1] Atomic Archives - Despre masa critică

[2] „Conceptul de masă critică”. Arhivat din original la 1 octombrie 2015. Accesat în 2 octombrie 2015.

[3] Referate RO Arhivat în 3 octombrie 2015, la Wayback Machine. -- Despre energia nucleară și masa critică

[4] Referat Arhivat în 4 octombrie 2015, la Wayback Machine. -- Fizică nucleară Uni Buc

[nti-5] Nuclear Weapons Design & Materials, The Nuclear Threat Initiative website.

[europa-6] Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport, Republic of France, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.

[isis-7] Chapter 5, Troubles tomorrow? Separated Neptunium 237 and Americium, Challenges of Fissile Material Control (1999), isis-online.org

[lanl-8] ttp://www.lanl.gov/news/index.php?fuseaction=home.story&story_id=1348 Format:Citation broken

[sti-9] Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238, U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information

[rmi-10] Amory B. Lovins, Nuclear weapons and power-reactor plutonium, Nature, Vol. 283, No. 5750, pp. 817–823, February 28, 1980

[dias-11] ttp://typhoon.tokai-sc.jaea.go.jp/icnc2003/Proceeding/paper/6.5_022.pdf Format:Citation broken Dias et al.

[jnst-12] Hirshi Okuno and Hirumitsu Kawasaki, Technical Report, Critical and Subcritical Mass Calculations for Curium-243 to -247 , Japan National Institute of Informatics, Reprinted from Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 39, No. 10, p.1072–1085 (October 2002)Format:Copyvio link

[irsn-13] Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety. data and limits for actinides in transport", p. 16

[nukemet-14] [1]

[15] A Bomb 1

[16] Imagini - Proiectarea armelor nucleare

[17] „LLNL.gov”. Arhivat din original la 31 ianuarie 2017. Accesat în 5 februarie 2017.

[18] Retele Arhivat în 4 octombrie 2015, la Wayback Machine. -- Curs de centrale electrice nucleare -- UCV

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]