Kriittinen massa

Kriittinen massa on pienin määrä fissiokelpoista materiaalia, jossa itseään ylläpitävä ketjureaktio voi tapahtua. Toisin sanoen se on fissiilistä materiaalista tehdyn kappaleen massan raja-arvo, jossa kappaleen kriittisyys k=1. Kriittisen massan ylittyessä kappaleen kriittisyys k on suurempi kuin 1 (ylikriittinen kappale), ja alittuessa k on alle 1 eli kappale on alikriittinen. Ylikriittisessä kappaleessa tapahtuu (aina) spontaani ja progressiivinen ydinreaktioiden ketjureaktio, jossa atomien ytimiä halkeaa eli fissioituu ja vapautuu energiaa. Vastaavasti alikriittisessä kappaleessa ketjureaktiota ei synny. 

Ydinaseen toiminta perustuu kappaleen kriittisen massan ylittämiseen. Kappaleen kriittistä massaa voidaan pienentää ainakin kappaleen muodolla, materiaalilla, isotooppisella puhtausasteella, sekä hetkellisesti myös kappaleen energiatilalla (lämpö/painetila) sekä neutronilähteillä tai heijastimilla. Myös käsitettä kriittinen koko käytetään. Tällöin sovitut muuttujat jätetään huomioimatta tai asetetaan oletusarvoon ja lasketaan tällaisen oletuskappaleen muodostaman pallon halkaisija tai tilavuus. Ylikriittinen kappale voidaan luoda esimerkiksi puristamalla alikriittinen kappale pienempään tilaan räjähteillä. Kriittinen massa liittyy fysikaaliseen käsitteeseen vaikutusala, joka ilmoittaa reaktioiden todennäköisyyden atomiytimien ja ydinhiukkasten vuorovaikutuksissa. 

Puhtaan uraani-235:n kriittinen massa on noin 50 kg. Kriittistä massaa voidaan pienentää ympäröimällä kappale heijastinmateriaalilla. Silloin kappaleesta ulos vuotavat neutronit kimpoavat heijastimesta takaisin. Jos uraani-235 ympäröidään 10 cm paksulla berylliumheijastimella, niin kriittinen massa pienenee 14 kg:aan. Plutoniumin kriittinen massa on metallurgisesta rakenteesta riippuen 10–17 kg mutta sopivan heijastimen kanssa vain noin 6–8 kg.

Ydinreaktorin kriittisyys 
Ydinreaktorin polttoaineessa on tavallisesti vain 2–5 prosenttia uraani-235:ttä, joten sen kriittinen massa on hyvin suuri. Ydinreaktorit toimivat täsmälleen kriittisen massan kohdalla, eli kasvutekijä on arvossa k=1. Tämä tarkoittaa, että fissioreaktioissa syntyvien neutronien määrä on keskimäärin sama kuin uusien fissioiden aiheuttamiseen kuluvien ja reaktorista karkaavien vapaiden neutronien yhteenlaskettu määrä. Toisin sanoen reaktioiden määrä per aikayksikkö pysyy samana, ja sitä kautta reaktorin teho pysyy vakiona. Reaktorin ylikriittisyys tarkoittaa, että kasvutekijä on yli 1 ja fissioreaktioiden määrä per aikayksikkö kasvaa. Alikriittisessä reaktorissa vastaavasti reaktioiden määrä per aikayksikkö vähenee. Reaktorin kriittisyyttä voidaan nostaa tai alentaa säätösauvoilla. Reaktorin säätämistä helpottaa, että 0,65 prosenttia fissiossa syntyvistä neutroneista on viivästyneitä ja ne vapautuvat vasta keskimäärin 13 sekuntia fission jälkeen. Ilman viivästyneitä neutroneita reaktori ei olisi kriittinen, mutta niiden kera se on. Viivästyneet neutronit hidastavat reaktorin tehon muutoksia.

Katso myös 
 Ydinase
 Fissio
 Vaikutusala
 Ydinreaktori

Lähteet 

Ydintekniikka
Radioaktiivisuus
Massa