Masa krytyczna - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy pojęcia stosowanego w fizyce. Zapoznaj się również z: artykuł o ruchu społecznym.

Masa krytyczna materiału rozszczepialnego – minimalna masa, w której reakcja rozszczepienia przebiega w sposób łańcuchowy, czyli każde jedno rozszczepienie jądra atomowego inicjuje dokładnie jedno następne rozszczepienie. W masie mniejszej od masy krytycznej reakcja zainicjowana rozszczepieniem spontanicznym zaniknie, w masie większej od masy krytycznej reakcja będzie przebiegała w sposób lawinowy, tzn. jedno rozszczepienie wywoła więcej niż jedno rozszczepienie.

Moderator w reaktorze jądrowym substancja służąca do zmniejszenia energii kinetycznej (prędkości) neutronów, aż do osiągnięcia przez nie stanu tzw. neutronów termicznych. Powolne neutrony znacznie wydajniej powodują rozszczepienie jąder w materiale paliwa jądrowego.

Reaktor jądrowy – urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcje jądrowe; na obecnym etapie rozwoju nauki i techniki (rok 2011) są to przede wszystkim reakcje rozszczepienia jąder atomowych. Reakcje te mają charakter łańcuchowy - produkty reakcji (w tym głównie neutrony) mogą zainicjować kilka następnych. Aby uniknąć lawinowego wzrostu szybkości reakcji, reaktor dzieli się na strefy wypełnione na przemian paliwem, chłodziwem oraz moderatorem, czyli substancją spowalniającą neutrony. Szybkość reakcji kontrolowana jest m.in. przez zmianę wzajemnego położenia lub proporcji tych składników, a także przez wprowadzanie dodatkowych substancji pochłaniających lub spowalniających neutrony, zawartych w tzw. prętach regulacyjnych (służących do normalnej regulacji parametrów reakcji) oraz prętach bezpieczeństwa (stosowanych do awaryjnego wyłączania reaktora). Substancjami używanymi do pochłaniania neutronów termicznych są m.in. bor i kadm, natomiast jako moderatorów używa się m.in. berylu, grafitu, a także wody, pełniącej równocześnie rolę chłodziwa.

W materiale rozszczepialnym reakcja rozszczepienia może zajść w wyniku samorzutnego rozszczepienia jądra atomowego. W wyniku tego aktu rozszczepienia emitowane jest kilka neutronów; Część z tych neutronów opuści materiał, część zostanie pochłonięta przez jądra nie ulegające rozszczepieniu, a niektóre wywołają rozszczepienie następnego jądra.

Energetyka jądrowa – zespół zagadnień związanych z uzyskiwaniem na skalę przemysłową energii z rozszczepienia ciężkich jąder pierwiastków (głównie uranu 235).

Jądro atomowe – centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie dla środowiska.

Masa krytyczna danego materiału rozszczepialnego zależy od zanieczyszczeń, kształtu próbki, oraz jej otoczenia. Najmniejszą masę ma próbka o kształcie kuli otoczonej materiałem odbijającym i moderującym neutrony.

Masa krytyczna dla kuli, nie otoczonej innymi substancjami, dla czystego izotopu uranu 235 wynosi 52 kg, zaś dla plutonu (238 i 239) jest to 10 kg. Pluton w postaci tlenku plutonu ma masę krytyczną około 25 kg. Dla kuli otoczonej ekranem odbijającym neutrony, masa ta jest mniejsza i zależy od materiału ekranu. Przykładowo dla plutonu 238 otoczonego wodą 7,4 kg, a stalą – 4,9 kg.

Broń jądrowa – rodzaj broni masowego rażenia wykorzystującej wewnątrz jądrową energię wydzielaną podczas łańcuchowej reakcji rozszczepienia jąder ciężkich pierwiastków (uranu i plutonu - broń atomowa) lub reakcji termojądrowej syntezy lekkich pierwiastków z wodoru - bomba wodorowa – o sile wybuchu znacznie większej od broni atomowej. Dzięki istnieniu tej broni powstało przekonanie o możliwości pokonania przeciwnika bez użycia ogromnych armii, do zadania dużych zniszczeń na obszarze przeciwnika wystarczy samolot bombowy, pocisk artyleryjski lub rakieta przenosząca atomowe głowice bojowe.

Materiał rozszczepialny - materiał zawierający jądra atomowe, które w wyniku zderzeń z neutronami ulegają rozszczepieniu z równoczesną emisją nowych neutronów, np. uran U, uran U, pluton Pu; stosowany jako paliwo jądrowe w reaktorach jądrowych i do budowy bomb jądrowych.

Orientacyjne masy krytyczne materiału ułożonego w kształcie kuli nie otoczonej substancją odbijającą neutrony dla wybranych izotopów:

Rozpad jądra uranu wg reakcji: ${}^{235}_{92}\text{U} \rarr {}^{92}_{37}\text{Rb} + {}^{140}_{55}\text{Cs} + 3 {}^1_0 \text{n}$

uran-233: 16 kg

uran-235: 52 kg

neptun-237: 60 kg

pluton-239: 10 kg

pluton-240: 40 kg

pluton-242: 100 kg

ameryk-241: 60-100 kg

ameryk-242: 9-18 kg

ameryk-243: 50-150 kg

kiur-245: 12 kg

kiur-246: 70 kg

kiur-247: 7 kg

kaliforn-251: 9 kg

Nieprawdą jest pospolicie głoszony pogląd, że "reakcja rozszczepienia zachodzi dla masy równej lub większej masie krytycznej", jeżeli masa jest mniejsza od masy krytycznej, każde rozszczepienie spontaniczne może wywołać kilka, kilkanaście a może i więcej rozpadów wymuszonych pochłonięciem neutronów, ale w końcu dojdzie do sytuacji, że wszystkie neutrony uciekną z materiału rozszczepialnego lub zostaną pochłonięte przez nierozszczepialne jądra.

Kiur (Cm, łac. curium) - pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców w układzie okresowym. Nazwa pochodzi od nazwiska Marii Skłodowskiej-Curie i Piotra Curie. Pierwiastek odkrył w 1944 roku Glenn Theodore Seaborg.

Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu (z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze). Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze).

W reaktorach jądrowych pojęcie masy krytycznej nie jest ściśle określone, z powodu stosowania ekranów i regulowanych moderatorów. Ekrany odbijają neutrony z powrotem w kierunku materiału rozszczepialnego, a moderator spowalnia neutrony, dzięki czemu zwiększa się prawdopodobieństwo, że spowodują one kolejne rozszczepienie. Zatem masa potrzebna do stabilnej pracy reaktora zależy od jego konstrukcji.

Rozszczepienie jądra atomowego to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra na dwa (rzadziej na więcej) fragmenty o zbliżonych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów, a także kwantów gamma, które unoszą znaczne ilości energii. Ponieważ jądra ulegające rozszczepieniu zwykle są jądrami ciężkimi, które posiadają więcej neutronów niż protonów, obydwa fragmenty powstałe w rozszczepieniu są jądrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar neutronów jest z nich emitowany podczas aktu rozszczepienia (neutrony natychmiastowe) lub z pewnym opóźnieniem (neutrony opóźnione).

Neptun (łac. neptunium, symbol Np) – pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców o liczbie atomowej 93. Jest radioaktywnym pierwiastkiem metalicznym, pierwszym przedstawicielem transuranowców. Jego najtrwalszym izotopem jest Np o czasie połowicznego rozpadu ok. 2 mln lat, powstający w kilogramowych ilościach jako produkt uboczny pracy reaktorów jądrowych, np. podczas produkcji plutonu. Bardzo małe ilości tego pierwiastka można znaleźć w rudach uranowych.

W wyniku umieszczenia w jednym miejscu masy większej niż masa krytyczna reakcja będzie przebiegać w sposób lawinowy, co pociągnie za sobą wydzielenie olbrzymich ilości energii, która spowoduje rozprzestrzenienie się reagujących materiałów i zatrzymanie reakcji rozszczepienia. Na tej zasadzie działa bomba atomowa.

Masa Krytyczna – nieformalny ruch społeczny, polegający na organizowaniu spotkań maksymalnie licznej grupy rowerzystów i ich wspólnym przejeździe przez miasto. Spotkania te odbywają się pod hasłem "My nie blokujemy ruchu, my jesteśmy ruchem" i mają na celu zwrócenie uwagi władz i ogółu społeczeństwa na zwykle ignorowanych rowerzystów.

Zobacz też

reflektor neutronów

energetyka jądrowa

Przypisy

Neutron Weapon from Underground