Критична маса

КРИТИ́ЧНА МА́СА — поня­т­тя, що пере­важно використовується в ядерній фізиці для по­значе­н­ня маси матеріалу, в якій можливе виникне­н­ня самопідтримної ланцюгової реак­ції діле­н­ня (див. Критичний стан). Воно стосується матеріалів, яким властивий поділ під дією нейтронів (їх також називають ядер­но небезпеч. матеріалами). Під час поділу ви­промінюється, за­звичай, декілька нових нейтронів (в середньому 2–3), які викликають поділ нових ядер або по­глинаються ін. матеріалами чи виходять за межі зразка.

Саме спів­від­ноше­н­ня між кількістю нейтронів, які викликають діле­н­ня, та кількістю нейтронів, які по­глинаються ін. матеріалами чи виходять за межі зразка, й об­умовлює поня­т­тя «К. м.». К. м. не є сталою величиною, а залежить від фіз. стану речовини, в якій знаходиться елемент, що може ділитися, від обʼєму та форми зразка цієї речовини, від енергії нейтронів, які викликають діле­н­ня, та від зовн. середовища. Тому існує поня­т­тя «мін. К. м.», коли всі чин­ники, що на неї впливають, пі­ді­брані так, щоб максимально сприяти виникнен­ню ланцюг. реакції діле­н­ня. У природі є лише один матеріал, в якому можна створити ланцюг. реакцію діле­н­ня, — ізотоп урану з масовим числом 235 — з 92-ма протонами та 143-ма нейтронами в ядрі (²³⁵U). Причому цей ізотоп урану ділиться нейтронами будь-яких енергій. Ймовірність його поділу зро­стає із зменше­н­ням енер­гії нейтронів, що викликають поділ. Тому для досягне­н­ня мін. К. м. у зразок, що містить ²³⁵U, додають сповільнювач нейтронів — матеріал, пружне роз­сія­н­ня нейтронів на ядрах якого призводить до зменше­н­ня енер­гії нейтронів. Сповільнювач повинен мати не­значне по­глина­н­ня нейтронів. Здебільшого як сповільнювач використовують звичайну воду, важку воду (D₂О) або графіт.

Для зменше­н­ня витоку нейтронів через поверх­ню зразок повинен бути кулеподіб­ним, мати геом. форму з мін. від­­ноше­н­ням поверх­ні до обʼєму. З цією ж метою зразок роз­міщують у від­бивачі нейтронів — речовині, що повертає частину нейтронів, які вилетіли через поверх­ню, назад у зразок. Як від­бивач використовують ті ж самі матеріали, що добре сповільнюють нейтрони, тобто мають високу ймовірність пруж. роз­сіюва­н­ня та малу ймовірність по­глина­н­ня. Здатний під­вищувати кількість нейтронів й берилій, однак його не за­стосовують внаслідок високої ціни. Таким чином, мін. К. м. суміші ²³⁵U з водою у ви­гляді кулі, роз­міщеної у нескінченому вод­ному від­бивачі, дорівнює 0,79 кг. Для порівня­н­ня: К. м. металевого ²³⁵U без від­бивача складає бл. 50 кг. У природ. покладах уран міститься у ви­гляді суміші різних ізотопів, найпоширенішим є спів­від­ноше­н­ня: ²³⁸U — 99,2745 %, ²³⁵U — 0,7200 %, ²³⁴U — 0,0055 %. Оскільки ²³⁸U не може ділитися повіл. нейтронами, для викори­ста­н­ня урану як палива ядер. реакторів, а також у ядер. зброї за­стосовують технології ізотоп. збагаче­н­ня, в процесі яких вміст ²³⁵U у суміші під­вищується. У енергет. ядер. реакторах використовують уран, збагачений на ізотоп ²³⁵U до 3–5 %, у ядер. зброї — понад 90 %. У ядер. реакторах можна отримати у знач. кількості два ін. матеріали, що діляться повіл. нейтронами, — ²³³U та ²³⁹Pu, а також у набагато менших кількостях ін. ізотопи транс­уран. елементів, що діляться як повіл., так і швидкими нейтронами.

Мін. К. м. для ізотопів, що поділяються повіл. нейтронами (сферична геометрія, сповільнювач — вода, нескінчений водний від­бивач): ²³³U — 0,57 кг, ²³⁹Pu — 0,51 кг, ²⁴¹Pu — 0,232 кг, ²⁴²Am — 0,017 кг, ²⁴³Cm — 0,108 кг, ²⁴⁵Cm — 0,036 кг, ²⁴⁷Cm — 1,170 кг, ²⁴⁹Cf — 0,047 кг, ²⁵¹Cf — 0,013 кг. Ін. ізотопи транс­уран. елементів (а також ізотоп протактинію) можуть ділитися тільки швидкими нейтронами, а ланцюг. реакція виникає лише в метал. системах. Мін. К. м. для ізотопів, що діляться швидкими нейтронами (сферична геометрія, водний від­бивач): ²³¹Pa — 550 кг, ²³⁷Np — 43 кг, ²³⁸Pu — 4,5 кг, ²⁴⁰Pu — 96 кг, ²⁴¹Am — 71 кг, ²⁴³Am — 500 кг, ²⁴⁴Cm — 14 кг. Більшість даних для мін. К. м. транс­уран. елементів отримані роз­рахунками і є на­ближеними.

На під­приємствах ядер. галузі роз­чини ядерно небезпеч. матеріалів можуть знаходитися у ємностях і трубо­проводах склад. геом. форми, обʼєм яких важко точно обрахувати. Тому для забезпече­н­ня ядер. без­пеки в таких системах використовують замість поня­т­тя «мін. К. м.» поня­т­тя «мін. критич. концентрації», яку обраховують для нескінчених систем з оптимал. кількістю сповільнювача нейтронів. Для без­печ. проведе­н­ня робіт з роз­чинами матеріалів, які можуть ділитися, концентрація цих речовин у роз­чинах повин­на бути менша, ніж мін. критична концентрація. Напр., значе­н­ня мін. критич. концентрації ²³³U у нескінченому водному роз­чині складає 11,2 г/л, ²³⁵U — 12,7 г/л, ²³⁹Pu — 7,8 г/л, ²⁴¹Pu — 5,5 г/л, ²⁴²Am — 0,66 г/л, ²⁵¹Cf — 0,7 г/л.

Завантажити статтю