Masa critică a materialului fisibil este masa minimă a materialului suficientă pentru a declanșa o reacție în lanț de fisiune nucleară (a se vedea, de asemenea: fisiune nucleară )
Depinde de proprietățile nucleare ale materialului luat în considerare ( secțiunea transversală de fisiune și de numărul de neutroni produși de fisiune), dar și de proprietățile sale fizice (în special de densitatea sa ), de forma și de puritatea sa .
Într-adevăr, un material fisionabil este un material care conține atomi grei (de exemplu: uraniu 235 ) care se rup (fisiune) sub impactul unui neutron. Rezultatul acestei fisiuni constă în produși reziduali de fisiune, energie (în principal termică) și emisia a doi până la trei neutroni noi, care în sine vor sparge alți nuclei etc., de unde termenul „reacție în lanț”.
Cu toate acestea, acest proces este teoretic. Pur și simplu, nu toți neutronii sunt absorbiți de un nucleu fisionabil: unii sunt absorbiți de impurități, alții părăsesc materialul fără a fi întâlnit un nucleu care să fie spart.
Astfel, variind dimensiunea, densitatea, puritatea materialului, forma în sine, o proporție mai mare de neutroni va fi eficientă. Pentru o cantitate minimă de material, poate începe reacția în lanț, aceasta se numește „masa critică”.
Prin înconjurarea materialului fisibil cu un reflector de neutroni , se favorizează fisiunea, care scade cantitatea necesară pentru declanșarea reacției; pe de altă parte, prezența unui absorbant de neutroni în interiorul materialului fissil provoacă efectul opus.
Masele critice ale unor izotopi fisili în configurație sferică și la o densitate dată:
Izotop | Masa critică (kg) |
Timp de înjumătățire (ani) |
Căldură de fisiune (W / kg) |
Producția de neutroni (neutroni / kg / s) |
---|---|---|---|---|
Uraniu 233 | 16 | 160.000 | 0,28 | 1.2 |
Uraniu 235 | 48 | 700.000.000 | 0,00006 | 0,36 |
237 | 59 | 2.100.000 | 0,021 | 0,14 |
238. Plutoniu | 10 | 88 | 560 | 2.700.000 |
239. Plutoniu | 10 | 24.000 | 2.0 | 22 |
Plutonium 240 | 37 | 6.600 | 7 | 1.000.000 |
Plutoniu 241 | 13 | 14 | 6.4 | 49 |
Plutoniu 242 | 89 | 380.000 | 0,12 | 1.700.000 |
Americium 241 | 57 | 430 | 110 | 1.500 |
AIEA definește o „cantitate semnificativă“ de material fisionabil ca cantitatea de material necesară pentru a face o primă generație bombă implozie, cum ar fi cea de la Nagasaki. Cantitățile semnificative reținute de AIEA sunt 8 kg de plutoniu și 25 kg de U 235 sub formă de uraniu foarte îmbogățit (luând în considerare pierderile de producție). Cu toate acestea, Statele Unite au făcut public faptul că 4 kg de plutoniu sunt suficiente pentru a produce un dispozitiv exploziv nuclear. Pe baza aceluiași raport de masă critică, o cantitate de trei ori mai mare (de ordinul a 12 kg ) de HEU ar fi suficientă pentru o mașină de această tehnologie.