Den kritiske masse af fissilt materiale er den mindste masse af materiale, der er tilstrækkelig til at udløse en nuklear fissionskædereaktion (se også: nuklear fission ).
Det afhænger af de nukleare egenskaber af den betragtede materiale ( fission tværsnit , og antallet af neutroner produceres af fission), men også på dens fysiske egenskaber (især dens tæthed ), dens form og dens renhed .
Faktisk er et fissionsbart materiale et materiale, der indeholder tunge atomer ( fx: uran 235 ), som bryder (fission) under påvirkning af en neutron. Resultatet af denne fission består af resterende fissionsprodukter, energi (hovedsagelig termisk) og emission af to til tre nye neutroner, som selv bryder andre kerner osv., Deraf udtrykket "kædereaktion".
Denne proces er imidlertid teoretisk. Kort sagt, ikke alle neutroner absorberes af en fissionsbar kerne: nogle absorberes af urenheder, andre kommer ud af materialet uden at have stødt på en kerne, der skal brydes.
Ved at variere størrelsen, tætheden, materialets renhed, selve formen vil en større andel neutroner således være effektive. For en minimal mængde materiale kan kædereaktionen starte, dette kaldes "kritisk masse".
Ved at omgive det fissile materiale med en neutronreflektor foretrækkes fission, hvilket mindsker den nødvendige mængde for at udløse reaktionen; på den anden side forårsager tilstedeværelsen af en neutronabsorber i det fissile materiale den modsatte effekt.
Kritiske masser af nogle fissile isotoper i sfærisk konfiguration og ved en given tæthed:
Isotop | Kritisk masse (kg) |
Halveringstid (år) |
Fissionsvarme (W / kg) |
Neutronproduktion (neutroner / kg / s) |
---|---|---|---|---|
Uranium 233 | 16 | 160.000 | 0,28 | 1.2 |
Uranium 235 | 48 | 700.000.000 | 0,00006 | 0,36 |
Neptunium 237 | 59 | 2.100.000 | 0,021 | 0,14 |
Plutonium 238 | 10 | 88 | 560 | 2.700.000 |
Plutonium 239 | 10 | 24.000 | 2.0 | 22 |
Plutonium 240 | 37 | 6.600 | 7 | 1.000.000 |
Plutonium 241 | 13 | 14 | 6.4 | 49 |
Plutonium 242 | 89 | 380.000 | 0,12 | 1.700.000 |
Americium 241 | 57 | 430 | 110 | 1.500 |
Den IAEA definerer en "betydelig mængde" af fissilt materiale som mængden af materiale er nødvendig for at gøre en første generation implosion bombe, som den fra Nagasaki. De væsentlige mængder, som IAEA bevarer, er 8 kg plutonium og 25 kg U 235 i form af højberiget uran (under hensyntagen til produktionstab). Imidlertid har USA offentliggjort, at 4 kg plutonium er tilstrækkeligt til at fremstille en nuklear eksplosiv enhed. Baseret på det samme kritiske masseforhold vil en mængde, der er tre gange større (i størrelsesordenen 12 kg ) HEU, være tilstrækkelig til en maskine med denne teknologi.