מסה קריטית

מסה קריטית של חומר בקיע, היא כמות החומר המינימלית הנחוצה ליצירת תגובת שרשרת גרעינית. המסה הקריטית של חומר בקיע תלויה בתכונותיו הפיזיקליות, בצורה שלו, מידת הטוהר שלו, ובמיקומו - האם הוא מוקף בחומר הקולט נייטרונים (וכך מאט את תגובת השרשרת), או בחומר המחזיר אותם. כאשר תגובת שרשרת במסה של חומר בקיע מקיימת את עצמה ללא אובדן כוח, חום או נייטרונים, המסה נקראת קריטית. במילים פשוטות, תגובת שרשרת אשר התרחשותה אפשרית נקראת קריטית (critical). הצגה מתמטית של מסה קריטית תלויה בגורם הכפלת הנייטרון האפקטיבי   k {\displaystyle \ k} k = f l {\displaystyle k={\frac {f}{l}}} כאשר   f {\displaystyle \ f} מייצג את המספר הממוצע של נייטרונים המשוחררים בכל ביקוע ו-   l {\displaystyle \ l} מייצג את ממוצע הנייטרונים שעוזבים את מערכת השרשרת (על ידי קליטה בגרעינים לא בקיעים או על ידי יציאה פיזית מזירת הביקוע). אם מתקיים   k = 1 {\displaystyle \ k=1} (מספר הנייטרונים הנפלטים שווה למספר הנייטרונים שעוזבים את המערכת), המסה נקראת קריטית. לעומת זאת כאשר k ≠ 1 {\displaystyle k\neq 1} , המסה תקרא תת-קריטית או על קריטית, כדלקמן:   k < 1 {\displaystyle \ k<1} (מסה תת-קריטית, sub-critical): תחילת התגובה היא עם ביקוע אחד ומתקבל ממוצע כולל של 1/(1-k) ביקועים. כל התחלה של תגובת שרשרת דועכת במהירות. מגבר אנרגיה הוא דוגמה לתכנון של תחנת כוח גרעינית המבוססת על כור גרעיני תת-קריטי (עם 1>K). תגובות הביקוע בכור מאולצות על ידי אלומת חלקיקים ממאיץ סינכרוטרון סמוך, כך שאין חשש לתגובת שרשרת גרעינית בהיעדר אלומת החלקיקים.   k > 1 {\displaystyle \ k>1} (מסה על-קריטית, super critical): תחילת התגובה היא עם נייטרון אחד כאשר יש הסתברות לא-טריוויאלית שהוא לא גורם ביקוע או שתחילת תגובת השרשרת דועכת. אולם, ברגע שמספר הנייטרונים החופשיים הוא יותר מבודדים, סביר להניח שהוא יגדל באופן אקספוננציאלי. תגובת שרשרת אשר אפשרית ללא צורך בנייטרונים ששחרורם מעוכב, נקראת "קריטית זריזה" (prompt critical) (וכמו כן היא גם על-קריטית). מסות גדולות אף נקראות קריטיות על-זריזות. כאשר המסה קטנה מהקריטית הביקוע ידעך עם הזמן, והיא נקראת תת-קריטית (subcritical). ההבחנה כי תגובה על-קריטית אינה בהכרח קריטית זריזה מיוחסת לאנריקו פרמי, והיא הניחה יסוד לאפשרות לבנות כורים גרעיניים המשתמשים בתגובת שרשרת בביקוע. תגובה קריטית זריזה דינה להתפוצץ אם לא תובא במהרה תחת הגבול ה"זריז קריטי". הצורה שבה המסה הקריטית היא מינימלית היא כדור. ניתן להפחית את המסה הקריטית גם על ידי שימוש במחזיר נייטרונים. חשוב להבין בשל חתך הפעולה הנמוך ביותר של גרעין האטום, המהלך החופשי הממוצע של נייטרון בודד הוא ארוך מאוד, כך שנדרשת זירת ביקוע רחבה למדי כדי לאפשר לתגובת השרשרת להתרחש. זוהי אחת המוטיבציות מאחורי המושג של "מסה קריטית". במקרה של שימוש במחזיר נייטרונים, המסה הקריטית היא כ-15 ק"ג לאורניום-235 ו-10 ק"ג לפלוטוניום-239. מצוינות מטה מסות קריטיות של מסות כדוריות של איזוטופים אשר משך מחצית החיים שלהן הוא למעלה מ-100 שנים: אורניום-233: 15 ק"ג [1] אורניום-235: 50 ק"ג [2] נפטוניום-237: 60 ק"ג [3] פלוטוניום-239: 10 ק"ג [4] פלוטוניום-240: 40 ק"ג [5] פלוטוניום-242: 100 ק"ג [6] אמריציום-241: 60-100 ק"ג אמריציום-242: 9-18 ק"ג אמריציום-243: 50-150 ק"ג קוריום-245: 12 ק"ג [7] קוריום-246: 70 ק"ג קוריום-247: 7 ק"ג קליפורניום-251: 9 ק"ג [8] עד לרגע שבו נחוץ הפיצוץ, חייב להישמר נשק גרעיני במצב תת-קריטי. במקרה של פצצת אורניום, ניתן לקיים את הדבר על ידי אחזקת הדלק במספר חלקים נפרדים, שכל אחד מהם קטן מהגודל הקריטי. ליצירת הפיצוץ, מתערבבים תכולות מכלי האורניום במהירות. בליטל בוי, פצצת האטום הראשונה, הדבר הושג באמצעות ירי של צילינדר אורניום פתוח לתוך גליל אורניום קטן יותר (נשק מסוג "אקדח", או "שיטת התותח"). הפרדת תאים אינה משמשת לפצצות פלוטוניום. במקום זאת מוחזק הפלוטוניום ככדור חלול. הפיצוץ מושג על ידי מטען המקיף את הכדור החלול, המעלה את הצפיפות הכוללת ומקטין את נפח החריר כדי ליצור תנאים קריטיים לתגובה. זהו נשק מסוג קריסה כלפי פנים. תגובת שרשרת גרעינית פצצת ביקוע גרעיני מסה קריטית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)