Süperkritik kütle

Süperkritik kütle ya da Süperkritik Akışkan Ekstraksiyonu, herhangi bir karışımdan istenilen maddenin uygun bir çözücü yardımıyla çekilerek ayrılması işlemine denir. Süperkritik akışkanların fiziko-kimyasal özellikleri sıvılarla gazların özellikleri arasındadır. Bu özellik süperkritik akışkanların daha etkin bir çözücü olmasını sağlamaktadır. ==Kritikliğin açıklaması== Bölünebilir bir malzeme kütlesindeki bir nükleer zincir reaksiyonu kendi kendine devam ettiğinde, kütlenin güç, sıcaklık veya nötron sayısı kritikleşir. Kritik bir kütlenin sayısal ölçüsü etkili nötron çarpım faktörü , başına salınan ortalama nötron sayısına bağlıdır. Malzemeyi absorbe etmek veya terk etmek yerine başka bir fisyon olayına neden olan fisyon olayı. k = 1 olduğunda, kütle kritiktir ve zincirleme reaksiyon kendi kendini sürdürür. Bir "kritik altı" kütle, bir fisyon zincirleme reaksiyonunu sürdürme kabiliyetine sahip olmayan bir bölünebilir malzeme kütlesidir. Kritik altı bir düzeneğe eklenen bir nötron popülasyonu katlanarak azalacaktır. Bu durumda, k < 1\. Sabit bir kendiliğinden fisyon oranı, orantılı olarak sabit bir nötron aktivitesi seviyesine neden olur. Orantılılık sabiti, arttıkça artar. Bir "süperkritik" kütle, bir kez bölünme başladıktan sonra artan bir hızla ilerleyecek olan kütledir. Malzeme, yüksek bir sıcaklık/güç seviyesinde dengeye yerleşebilir ("yani" tekrar kritik hale gelebilir) veya kendi kendini yok edebilir. Aşırı kritiklik durumunda, k > 1. kendiliğinden fisyon nedeniyle kritik üstü bir kütle bir zincirleme reaksiyona girecek. Örneğin, yaklaşık kütleye sahip küresel bir kritik saf uranium-235 (235U) kütlesi başına yaklaşık 15 kendiliğinden fisyon olayı yaşar. saniye. Böyle bir olayın zincirleme reaksiyona neden olma olasılığı, kütlenin kritik kütleyi ne kadar aştığına bağlıdır. uranium-238 (238U) mevcutsa, kendiliğinden fisyon oranı çok daha yüksek olacaktır. Fisyon, kozmik ışınlar tarafından üretilen nötronlar tarafından da başlatılabilir. Kategori:Kütle Kategori:Nükleer silah yapımı Kategori:Radyoaktivite ==Kritiklik noktasının değiştirilmesi== Kritikliğin meydana geldiği kütle, yakıt, şekil, sıcaklık, yoğunluk ve nötron-yansıtıcı bir maddenin yerleştirilmesi gibi belirli özellikleri değiştirerek değiştirilebilir. Bu niteliklerin karmaşık etkileşimleri ve karşılıklı bağımlılıkları vardır. Bu örnekler yalnızca en basit ideal durumları özetlemektedir: ===Yakıt miktarının değiştirilmesi=== Bir yakıt tertibatının sıfıra yakın güçte kritik olması mümkündür. "Tam olarak kritik bir kütle" oluşturmak için kritik altı bir kütleye mükemmel miktarda yakıt eklenirse, fisyon yalnızca bir nötron üretimi için kendi kendini idame ettirebilir (yakıt tüketimi daha sonra montajı tekrar kritik altı hale getirir). Benzer şekilde, ancak süperkritik bir kütle oluşturmak için kritik altı bir kütleye mükemmel miktarda yakıt eklenirse, düzeneğin sıcaklığı başlangıçtaki bir maksimuma yükselir (örneğin: ortam sıcaklığının 1 K üzerinde) sıcaklık) ve ardından bir süre sonra tekrar ortam sıcaklığına düşer, çünkü fisyon sırasında tüketilen yakıt düzeneği bir kez daha kritik altı duruma getirir. ===Şekli değiştirmek=== Bir kütle, mükemmel bir homojen küre olmadan da tam olarak kritik olabilir. Şekli mükemmel bir küreye doğru daha yakından rafine etmek, kütleyi süperkritik hale getirecektir. Tersine, şekli daha az mükemmel bir küreye değiştirmek, reaktivitesini azaltacak ve kritik altı hale getirecektir. ===Sıcaklığın değiştirilmesi=== Belirli bir sıcaklıkta bir kütle tam olarak kritik olabilir. Fisyon ve absorpsiyon kesitleri bağıl nötron hızı azaldıkça artar. Yakıt sıcaklığı arttıkça, belirli bir enerjideki nötronlar daha hızlı görünür ve bu nedenle fisyon/emilim daha az olasıdır. Bu, 238U rezonanslarının Doppler genişlemesi ile ilgisiz değildir, ancak tüm yakıtlarda/soğurucularda/konfigürasyonlarda ortaktır. Çok önemli rezonanslar ihmal edildiğinde, her malzemenin toplam nötron kesiti, bağıl nötron hızı ile ters bir ilişki sergiler. Sıcak yakıt her zaman soğuk yakıttan daha az reaktiftir (LWR'da aşırı/düşük ölçülülük farklı bir konudur). Sıcaklık artışıyla ilişkili termal genleşme, yakıt atomları birbirinden daha uzağa hareket ettiğinden, negatif bir reaktivite katsayısına da katkıda bulunur. Oda sıcaklığında tam olarak kritik olan bir kütle, yalnızca termal genleşme nedeniyle oda sıcaklığının üzerindeki herhangi bir ortamda kritik altı olacaktır. ===Kütlenin yoğunluğunun değiştirilmesi=== Yoğunluk ne kadar yüksek olursa, kritik kütle o kadar düşük olur. Sabit bir sıcaklıkta bir malzemenin yoğunluğu, basınç veya gerilim değiştirilerek veya kristal yapı değiştirilerek değiştirilebilir (bakınız plütonyumun allotropları). İdeal bir kütle, genişlemesine izin verilirse alt kritik hale gelir veya tersine, aynı kütle sıkıştırılırsa süper kritik hale gelir. Sıcaklığın değiştirilmesi yoğunluğu da değiştirebilir; bununla birlikte, kritik kütle üzerindeki etki, sıcaklık etkileri (bkz. "Sıcaklığın değiştirilmesi") ve malzemenin artan sıcaklıkla genleşmesi veya büzülmesi nedeniyle karmaşıklaşır. Malzemenin sıcaklıkla genişlediğini varsayarsak (örneğin oda sıcaklığında zenginleştirilmiş uranyum-235), tam olarak kritik bir durumda, düşük yoğunluğa ısıtılırsa kritik altı veya daha yüksek yoğunluğa soğutulursa süperkritik hale gelir. Böyle bir malzemenin, sıcaklığı arttığında reaktivitesinin azaldığını belirtmek için negatif bir sıcaklık reaktivite katsayısına sahip olduğu söylenir. Böyle bir malzemenin yakıt olarak kullanılması, yakıt sıcaklığı arttıkça fisyonun azalması anlamına gelir. ===Bir nötron reflektörü kullanımı=== Küresel bir kritik kütleyi bir nötron reflektörü ile çevrelemek, kritiklik için gereken kütleyi daha da azaltır. Bir nötron yansıtıcı için yaygın bir malzeme berilyum metaldir. Bu, bölünebilir malzemeden kaçan nötron sayısını azaltır. ==Kritik boyut== Kritik boyut, belirli bir geometrik düzenleme ve malzeme bileşimi için yapılabilecek bir nükleer reaktör çekirdeğinin veya nükleer silahın minimum boyutudur. Kritik boyut, kritik kütleye ulaşmak için en azından yeterli bölünebilir malzeme içermelidir. Reaktör çekirdeğinin boyutu belirli bir minimumun altındaysa, yüzeyinden çok fazla fisyon nötronu kaçar ve zincirleme reaksiyon sürdürülemez. ==Nükleer silah tasarımında kritiklik== Patlama istenene kadar, bir nükleer silah kritik altı tutulmalıdır. Uranyum tabanca tipi bir bomba söz konusu olduğunda, bu, yakıtın her biri ya çok küçük oldukları ya da elverişsiz bir şekle sahip oldukları için kritik boyutun altında olan birkaç ayrı parça halinde tutulmasıyla başarılabilir. Patlama üretmek için uranyum parçaları hızla çarpıştırılır. Little Boy'da bu, bir uranyum parçasını ('donut') bir silah namlusundan başka bir parçaya ('sivri uç') takarak ateşlendi ve başarıldı. Bu tasarıma silah tipi fisyon silahı denir. Teorik olarak %100 saf 239Pu silahı, Manhattan Projesi'nin önerdiği İnce Adam tasarımı gibi tabanca tipi bir silah olarak da yapılabilir. Gerçekte bu pratik değildir, çünkü "silah sınıfı" 239Pu bile az miktarda 240Pu ile kirlenmiştir, bu da kendiliğinden bölünmeye karşı güçlü bir eğilim gösterir. Bu nedenle, makul boyuttaki top tipi bir silah, plütonyum kütleleri tam teşekküllü bir patlama meydana gelmeden önce nükleer reaksiyona (ön patlama maruz kalacaktır. Bunun yerine plütonyum, içi boş olabilen veya olmayabilen kritik altı bir küre (veya başka bir şekil) olarak bulunur. Patlama, küreyi çevreleyen biçimli bir yük patlatarak, yoğunluğu artırarak (ve varsa boşluğu daraltarak) bir kritik uyarı konfigürasyonu oluşturmak suretiyle üretilir. Bu, iç patlama tipi silah olarak bilinir. ==Çıplak bir kürenin kritik kütlesi== Minimum kritik kütleye ve en küçük fiziksel boyutlara sahip şekil bir küredir. Bazı aktinitlerin normal yoğunluktaki çıplak küre kritik kütleleri aşağıdaki tabloda listelenmiştir. Çıplak küre kütleleri hakkındaki bilgilerin çoğu, nükleer silah tasarımı için kritik olduğundan, sınıflandırılmış kabul edilir, ancak bazı belgelerin gizliliği kaldırılmıştır.Bazılarının Yeniden Değerlendirilmiş Kritik Spesifikasyonları Los Alamos Hızlı Nötron Sistemleri Düşük dereceli uranyum için kritik kütle büyük ölçüde derecesine bağlıdır: %20 235U ile 400 kg'ın üzerindedir; %15 235U ile 600 kg'ın oldukça üzerindedir. Kritik kütle, yoğunluğun karesiyle ters orantılıdır. Yoğunluk %1 daha fazla ve kütle %2 daha azsa, hacim %3 daha az ve çap %1 daha azdır. Bir nötronun kat ettiği cm başına bir çekirdeğe çarpma olasılığı, yoğunlukla orantılıdır. %1 daha fazla yoğunluk, sistemden ayrılmadan önce katedilen mesafenin %1 daha az olduğu anlamına gelir. Bu, plütonyum izotoplarının kritik kütlelerinin yukarıda verilen yaklaşık değerlerden daha kesin tahminlerini yapmaya çalışırken dikkate alınması gereken bir şeydir, çünkü plütonyum metali, çok çeşitli yoğunluklara sahip olabilen çok sayıda farklı kristal faza sahiptir. Tüm nötronların zincirleme reaksiyona katkıda bulunmadığına dikkat edin. Bazıları kaçar ve diğerleri radyal yakalama geçirir. "q", belirli bir nötronun bir çekirdekte fisyonu indükleme olasılığını göstersin. Yalnızca acil nötronları dikkate alın ve ν'nin bir nükleer fisyonda üretilen ani nötronların sayısını göstermesine izin verin. Örneğin, uranyum-235 için ν ≈ 2.5. Ardından, ν·q = 1 olduğunda kritiklik oluşur. Bunun geometriye, kütleye ve yoğunluğa bağımlılığı “q” faktörü aracılığıyla ortaya çıkar. Toplam etkileşim kesit σ verildiğinde (tipik olarak ahırlarda olarak ölçülür), bir ani nötronun ortalama serbest yol değeri \ell^ {-1} = n \sigma burada n nükleer sayı yoğunluğudur. Etkileşimlerin çoğu saçılma olaylarıdır, böylece belirli bir nötron ortamdan kaçana veya bir fisyon reaksiyonuna neden olana kadar bir rastgele yürüyüşe uyar. Diğer kayıp mekanizmaları önemli olmadığı sürece, küresel bir kritik kütlenin yarıçapı oldukça kabaca, ortalama serbest yolun \ell ve birin karekökü artı sayının çarpımı ile verilir. rastgele bir yürüyüşte katedilen net mesafe, adım sayısının kareköküyle orantılı olduğundan fisyon olayı başına saçılma olayları (buna s deyin): : R_c \simeq \ell \sqrt{s} \simeq \frac{\sqrt{s}}{n \sigma} Bununla birlikte, bunun yalnızca kabaca bir tahmin olduğunu unutmayın. Toplam kütle M, nükleer kütle m, yoğunluk ρ ve geometrik ve diğer etkileri hesaba katan bir geçiş faktörü f açısından, kritiklik şuna karşılık gelir: 1 = \frac{f \sigma}{m \sqrt{s}} \rho^{2/3} M^{1/3} ki bu, kritik kütlenin ters olarak kareye bağlı olduğu sonucunu açıkça ortaya koyar yoğunluk. Alternatif olarak, alan yoğunluğu açısından bu daha kısa ve öz bir şekilde yeniden ifade edilebilir. == Kaynakça == == Kaynakça ==