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 об’єму 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 об’єму. 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, об’єм 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.

Літ.: Диев Л. В., Рязанов Б. Г., Мура­шов А. П. и др. Критические парамет­ры делящихся материалов и ядерная безопасность: Справоч. Москва, 1984.

В. М. Павлович

Рекомендована література

1. Диев Л. В., Рязанов Б. Г., Мура­шов А. П. и др. Критические парамет­ры делящихся материалов и ядерная безопасность: Справоч. Москва, 1984.
   Google ScholarInternet

завантажити статтю