Кіріспе

Ядролық реакцияны қолдауға қажетті ыдырау материалының ең аз мөлшері ядролық бөліну реакциялары. Ядролық инженерияда, сындық масса – тұрақты ядролық тізбекті реакцияны қамтамасыз етуге қажетті ыдырау материалының ең аз мөлшері. Бөлінетін материалдың сындық массасы оның ядролық қасиеттеріне (әсіресе, ядролық бөліну қимасына), тығыздығына, пішініне, тоғыту дәрежесіне, тазалығына, температурасына және айналасындағы ортаға байланысты. Бұл түсінік ядролық қару жасау үшін маңызды.

Қысқаша мән

Егер ядролық тізбекті реакция өздігінен жалғаса берсе, онда масса сынықтайтын күйде екендігі айтылады. Бұл күйде қуаттың, температураның немесе нейтрондар санының өсуі немесе төмендеуі болмайды. Критикалық массаның сандық өлшемі тиімді нейтрон көбейту коэффициенті k-ға байланысты, яғни материалға сіңірілмей немесе одан шығып кетпей, жаңа бөліну оқиғасын тудыратын, бір бөліну оқиғасынан орташа шығатын нейтрондар санына. Субкритикалық масса – тізбекті реакцияны жалғастыру қабілеті жоқ масса. Субкритикалық жиынтыққа енгізілген нейтрондар саны экспоненциалды түрде азаяды. Бұл жағдайда, k < 1 – субкритикалық деп аталады. Критикалық масса – өздігінен тізбекті бөліну реакциясын қолдайтын бөлінгіш материалдың массасы. Бұл жағдайда, k = 1 – сыншылдық деп аталады. Өздігінен бөлінудің тұрақты жылдамдығы нейтрондық белсенділіктің пропорционалды тұрақты деңгейін тудырады. Сверхкритикалық масса – бөліну басталғаннан кейін, жылдамдығы артатын масса. Бұл жағдайда, k > 1 – суперкритикалық деп аталады. Пропорционалдылық тұрақтысы k өскен сайын артады. Материал жоғары температурада/қуат деңгейінде тепе-теңдікке жетуі мүмкін (яғни қайтадан сынға ұшырауы мүмкін) немесе өзін-өзі жоя алады. Өздігінен бөлінудің нәтижесінде суперкритикалық масса тізбекті реакцияға ұшырайды. Мысалы, таза уран-235 (235U) шар тәрізді критикалық массасы шамамен секундына 15 өздігінен бөліну оқиғасын бастан кешіреді. Мұндай оқиғалардың бірі тізбекті реакцияға әкелуі ықтималдығы массаның критикалық массадан қаншалықты асып түсетіндігіне байланысты. Егер уран-238 (238U) болса, онда өздігінен ыдырау жылдамдығы әлдеқайда жоғары болады. Бөлінуді космостық сәулелерден туындаған нейтрондар да бастауы мүмкін.

Критикалық мәннің өзгеруі

Критикалық масса отын, пішін, температура, тығыздық және нейтрондарды кері шағылыстыратын зат орнату сияқты белгілі бір қасиеттерді өзгерту арқылы өзгеруі мүмкін. Осы қасиеттердің өзара әрекеттесуі және бір-біріне тәуелділігі күрделі. Бұл мысалдар тек ең қарапайым, идеалды жағдайларды көрсетеді:

Отынның мөлшерін өзгерту

Отын жинағы нөлге жуық қуатта да сынап қалуы мүмкін. Егер аздап сынап кеткен массаға қажетті мөлшерде отын қосылып, "дәл сынап масса" жасалса, тізбектік бөліну тек бір нейтрон буыны үшін қолдауға ие болады (содан кейін отынның сарқылуы жинақты қайтадан сынап кеткен күйге түсіреді). Сол сияқты, егер аздап сынап кеткен массаға қажетті мөлшерде отын қосылып, шамалы сынап кеткен масса жасалса, жинақтың температурасы бастапқы максимумға дейін көтеріледі (мысалы: қоршаған орта температурасынан 1 К жоғары) және кейбір уақыттан соң қоршаған орта температурасына дейін төмендейді, себебі бөліну кезінде сарқылатын отын жинақты қайтадан сынап кеткен деңгейге жеткізеді.

Пішінін өзгерту

Масса толыққанды біртекті шар болмаса да, дәл сындық болуы мүмкін. Пішінді толық шарға жақындату массаны суперкритикалық етеді. Керісінше, пішінін толық шардан алыстату реактивтілігін төмендетіп, оны сындық деңгейден төмен түсіреді.

Температураны өзгерту

Масса белгілі бір температурада дәл сындық болуы мүмкін. Нейтронның салыстырмалы жылдамдығы төмендеген сайын, бөліну және сіңіру қималары артады. Отынның температурасы жоғарылағанда, белгілі бір энергиядағы нейтрондар жылдамырақ болып көрінеді, демек бөліну/сіңіру ықтималдығы төмендейді. Бұл 238U резонанстарының Доплер кеңеюімен байланысты, бірақ барлық отын/сіңіргіштер/конфигурациялар үшін ортақ. Маңызды резонанстарды ескермесек, кез келген материалдың жалпы нейтрондық қимасы салыстырмалы нейтрон жылдамдығымен кері пропорционалды болады. Ыстық отын әрқашан суық отыннан аз реактивті (ЖЖҮ-де артық/жетіспей модуляция – мүлде басқа мәселе). Температураның жоғарылауымен байланысты жылулық кеңею де реактивтіліктің теріс коэффициентіне үлес қосады, себебі отын атомдары бір-бірінен алшақтайды. Бөлме температурасында дәл сындық болатын масса, тек жылулық кеңеюдің нәтижесінде бөлме температурасынан жоғарырақ кез келген ортада сындықтан төмен болады.

Массаның тығыздығын өзгерту

Тығыздық неғұрлым жоғары болса, сыни масса да соғұрлым төмен болады. Материалдың тығыздығын тұрақты температурада қысымды немесе кернеуді өзгерту арқылы, немесе кристалдық құрылымын өзгерту арқылы өзгертуге болады (плютонийдің аллотроптарын қараңыз). Идеалдық масса кеңейсе, субкритикалық болады, ал керісінше, сол масса қысылса, суперкритикалық болады. Температураны өзгерту тығыздықты да өзгерте алады; алайда, сыни массаға тигізетін әсері температураның әсерімен (қараңыз "Температураны өзгерту") және материалдың температураның жоғарылауымен кеңейе ме, әлде жиырыла ма деген мәселемен күрделенеді. Егер материал температурамен кеңейсе (мысалы, бөлме температурасында байытылған уран-235), дәл сыни күйде болғанда, егер төмен тығыздыққа дейін қыздырылса, субкритикалық болады, ал жоғары тығыздыққа дейін салқындатылса, суперкритикалық болады. Мұндай материалдың реактивтіліктің температуралық коэффициенті теріс деп айтылады, яғни температура жоғарылағанда оның реактивтілігі төмендейді. Мұндай материалды отын ретінде пайдалану отын температурасының жоғарылауымен бөлінудің азаюын білдіреді.

Нейтрондық шағылыстырғышты пайдалану

Сфералық сындық массаны нейтрондық рефлектормен қоршау, сындыққа жету үшін қажетті массаны одан да азайтады. Нейтрондық рефлектор ретінде бериллий металлы жиі қолданылады. Бұл бөлінетін материалдан қашып кететін нейтрондар санын азайтып, реактивтілікті арттырады.

Құрастырушыны пайдалану

Бомбада, бөлінетін ядроны қоршаған материалдың тығыз қабығы, инерция арқылы кеңейіп жатқан бөліну процесін ұстап тұрады, бұл тиімділікті арттырады. Бұл "тежегіш" деп аталады. Тежегіш сондай-ақ нейтрон көлдеткіш ретінде де әрекет етеді. Бомба жылдам нейтрондарға тәуелді болғандықтан (реактордағыдай жеңіл элементтермен соқтығысып баяуламайтын), тежегіш көлдеткен нейтрондар тежегіш ядроларымен соқтығысқанда баяулайды, және көлдетілген нейтрондардың бөлінетін ядроға қайта оралуына уақыт кеткендіктен, олар бөлінетін ядроға сіңірілу үшін көбірек уақыт алады. Бірақ олар реакцияға үлес қосады және сыни массаны төрт есеге дейін азайта алады. Сонымен қатар, егер тежегіш уран болса (мысалы, тотыққан), ол бастапқы жарылыстан пайда болған жоғары энергиялы нейтрондардың әсерінен бөлінуге ұшырауы мүмкін. Бұл қуатын айтарлықтай арттыра алады, әсіресе сутегі изотоптарын біріктіру арқылы одан да көп нейтрондар туындаса, яғни "күшейтілген" конфигурацияда.

Критикалық өлшемі

Критикалық өлшем – нақты геометриялық құрылым мен материалдық құрамы үшін жасала алатын ядролық реактор ядросының немесе ядролық қарудың ең кішкентай мөлшері. Критикалық өлшемде, кемінде, тізбекті реакцияны қолдау үшін жеткілікті мөлшерде бөлінетін материал болуы керек. Егер реактор ядросының мөлшері белгілі бір ең төменгі шектен кем болса, тым көп бөліну нейтрондары оның бетінен қашып кетеді де, тізбекті реакция тоқталып қалады.

Жедел сыншылдық

Бөліну оқиғасы тізбектік реакцияны сақтау үшін қажетті энергия деңгейінің бірден астам бос нейтронын шығаруы тиіс, және әрқайсысы басқа ядроларды тауып, оларды бөлінуге итермелеуі керек. Көптеген нейтрондар бөліну оқиғасынан бірден пайда болады, бірақ олардың бір бөлігі бөліну өнімдері ыдыраған кезде, орташа есеппен микросекундтардан минуттарға дейін кейінірек шығады. Бұл атом энергиясын өндіру үшін жақсы жағдай, себебі осы кешігу болмаса, "критикалық жағдайға" өту бірден катастрофалық оқиға болар еді, ядролық бомбадағыдай, онда тізбектік реакцияның 80 ұрпағы бір микросекундтан да аз уақыт ішінде жүзеге асады, бұл адам немесе тіпті машина үшін тым жылдам. Физиктер нейтрон ағынының біртіндеп артуындағы екі маңызды нүктені анықтайды: сындық, онда тізбектік реакция екі түрлі нейтронның да үлесі арқасында өзін-өзі ұстап тұрады, және шұғыл сындық, онда бірден пайда болатын "шұғыл" нейтрондар ғана ыдырау нейтрондарының қажеті болмай реакцияны ұстап тұрады. Ядролық электр станциялары осы екі реактивтілік нүктенің арасында жұмыс істейді, ал шұғыл сындық нүктеден жоғарысы ядролық қарулар мен кейбір ядролық апаттардың, мысалы Чернобыль апатының саласы болып табылады.