Khối lượng tới hạn

Trong vật lý hạt nhân khối lượng tới hạn là khối lượng nhỏ nhất của vật liệu phân hạch cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân ổn định.

Khối lượng tới hạn của một vật liệu phân hạch phụ thuộc vào tính chất hạt nhân của nó, (cụ thể là tiết diện phân hạch hạt nhân hiệu dụng), mật độ, hình dạng, mức độ làm giàu, độ tinh khiết, nhiệt độ, và môi trường xung quanh. Đây là một khái niệm rất quan trọng trong thiết kế các lò phản ứng hạt nhân và vũ khí hạt nhân.Serber, Robert, The Los Alamos Primer: The First Lectures on How to Build an Atomic Bomb, (University of California Press, 1992) ISBN 0-520-07576-5 Original 1943 "LA-1", declassified in 1965, plus commentary and historical introduction

 Khái niệm 
Khái niệm khối lượng tới hạn liên quan chặt chẽ đến phản ứng dây chuyền, trong đó một phản ứng cho ra tác nhân để gây ra các phản ứng tiếp theo.Laidler K.J., Chemical Kinetics (3rd ed., Harper & Row 1987) p.288-290 ISBN 0-06-043862-2 Tuy nhiên tác nhân sinh ra có thể thoát khỏi khối vật liệu mà không gây phản ứng nếu lượng vật liệu quá ít. Khi khối vật liệu ở trong điều kiện lý-hóa xác định thì khối lượng tối thiểu để duy trì các tác nhân đó gây ra được trung bình một phản ứng kế tiếp, được gọi là khối lượng tới hạn.

Trong các phản ứng phân hạch hạt nhân thì tác nhân là neutron. Một neutron phản ứng với một nguyên tử của vật liệu phân hạch, ví dụ plutoni-239 239Pu (là vật liệu làm quả bom ném xuống Nagasaki, Nhật Bản), dẫn đến nguyên tử này vỡ ra thành 2 hạt nhân con và vài ba neutron thứ cấp. Khối lượng tới hạn của khối plutoni-239 là khối lượng tối thiểu để cho về trung bình thì những neutron thứ cấp gây được một phân hạch kế tiếp.

Giá trị định lượng bằng số đặc trưng cho khối lượng tới hạn là hệ số nhân neutron hiệu dụng K, biểu thị số neutron trung bình gây ra được phản ứng kế tiếp trong khối.
 Nếu khối lượng dưới tới hạn thì K<1, phản ứng giảm về một mức cân bằng. Số lượng phản ứng hay K tăng dần theo khối lượng. Đây là trạng thái cần có khi bảo quản vật liệu, hoặc trạng thái chờ hoạt động của lò phản ứng hay vũ khí hạt nhân.
 Khi đạt tới khối lượng tới hạn thì K=1, phản ứng tự duy trì với số lượng ổn định. Đây là trạng thái cần có của lò phản ứng hạt nhân khi hoạt động bình thường.
 Nếu khối lượng quá tới hạn thì K>1, phản ứng bùng nổ theo cấp số nhân và có thể mất kiểm soát, hệ thống có thể bị phá hủy do nhiệt phát ra nhiều. Đây là trạng thái cần có của vũ khí hạt nhân khi phát nổ.

 Các yếu tố ảnh hưởng 

 Hình dạng 

 Nhiệt độ 

 Mật độ 

 Phản xạ neutron 

 Sử dụng vỏ đặc 

 Khối lượng tới hạn các đồng vị 
Bảng Khối lượng tới hạn các đồng vị cho vật thể dạng cầu đồng nhất, và phần lớn là tính toán lý thuyết.
 Đồng vị Khối lượng tới hạn [kg] Nguồn Không có phản xạ Phản xạ (20 cm H2O) Phản xạ (30 cm thép) 229Thori  2839  2262  994  231Protactini  580–930 ?  ?  ?  233Urani  16,5  7,3  6,1  Nuclear Weapons Design & Materials;  234Urani  145  134  83   235Urani  49,0  22,8  17,2   235Neptuni  66,2  60  38,8   236Neptuni  6,79  3,21  3,3   237Neptuni  63,6–68,6  57,5–64,6  38,6  Separated Neptunium 237 and Americium (PDF; 32 kB) 236Plutoni  ca. 8,04–8,42  5,0  3,74–4,01   237Plutoni  ca. 3,1  1,71  1,62   238Plutoni  ca. 9,04–10,31  7,35  4,7  Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238 239Plutoni  10,0  5,42–5,45  4,49   240Plutoni  35,7–39,03  32,1–34,95  18,3–22,6   241Plutoni  12,27–13,04  5,87–6,68  5,05–5,49   242Plutoni  85,6  78,2  36,2–48,1  241Americi  57,6–75,6  52,5–67,6  33,8–44,0   242mAmerici  9–18  3,2–6,4  3–4,6   243Americi  50–209  195 88–138   242Curi  24,8–371  17–260  7–231  243Curi  7,4–8,4  2,8  2,8–3,1  244Curi  23,2–33,1  22,0–27,1  13,2–16,81  245Curi  6,7–12  2,6–3,1  2,7–3,5  Hiroshi Okuno, Hiromitsu Kawasaki: Critical and Subcritical Mass Calculations of Curium-243 to -247 Based on JENDL-3.2 for Revision of ANSI/ANS-8.15; ;  246Curi  38,9–70  33,6  22–23,2   247Curi  7  3,5  2,8–3,0   248Curi 40,4  34,7  21,5  250Curi  23,5  21,4  14,7  247Berkeli  75,7  41,2  35,2  249Berkeli  192  179  131  249Californi  5,91  2,28  2,39  250Californi  6,55  5,61  3,13  251Californi  5,46–9  2,45  2,27  Neutron Weapon from Underground 252Californi  5,87  2,91  3,32  254Californi  4,27  2,86  2,25  254Einsteini  9,89  2,26  2,9 

 Chỉ dẫn 

 Tham khảo 

 Xem thêm 
 Tai nạn tới hạn
 Phản ứng dây chuyền
 Vũ khí hạt nhân

 Liên kết ngoài 

Thể loại:Bom hạt nhân
Thể loại:Khối lượng
Thể loại:Phóng xạ
Thể loại:Kỹ thuật hạt nhân
Thể loại:Công nghệ hạt nhân