Введение

Наименьшее количество делящегося материала, необходимого для поддержания ядерной реакции.

В ядерной инженерии критическая масса – это наименьшее количество делящегося материала, необходимое для самоподдерживающейся ядерной цепной реакции. Критическая масса материала, способного к делению, зависит от его ядерных свойств (в частности, сечения деления ядра), плотности, формы, обогащения, чистоты, температуры и окружения. Эта концепция имеет важное значение при разработке ядерного оружия.

Критическая точка

Когда ядерная цепная реакция в массе делящегося материала становится самоподдерживающейся, масса считается находящейся в критическом состоянии, при котором мощность, температура и численность нейтронов не увеличиваются и не уменьшаются. Количественная оценка критической массы зависит от эффективного коэффициента размножения нейтронов k – среднего числа нейтронов, высвобождаемых при каждом акте деления, которые вызывают дальнейшее деление, а не поглощаются или покидают материал. Субкритическая масса – это масса, не способная поддерживать цепную реакцию деления. Численность нейтронов, введенных в субкритическую сборку, будет экспоненциально уменьшаться. В этом случае, называемом субкритичностью, k < 1. Критическая масса – это масса делящегося материала, которая самостоятельно поддерживает цепную реакцию деления. В этом случае, называемом критичностью, k = 1. Стабильная скорость спонтанного деления вызывает пропорционально стабильный уровень нейтронной активности. Сверхкритическая масса – это масса, которая, после начала деления, будет развиваться с возрастающей скоростью. В этом случае, называемом сверхкритичностью, k > 1. Константа пропорциональности увеличивается с ростом k. Материал может прийти к равновесию (т.е. снова стать критическим) при повышенной температуре/мощности или саморазрушиться. Из-за спонтанного деления сверхкритическая масса будет подвергаться цепной реакции. Например, сферическая критическая масса чистого урана-235 (235U) массой около определенного значения будет испытывать примерно 15 спонтанных делений в секунду. Вероятность того, что одно из таких событий вызовет цепную реакцию, зависит от того, насколько масса превышает критическую массу. Если присутствует уран-238 (238U), скорость спонтанного деления будет значительно выше. Деление также может быть инициировано нейтронами, образовавшимися под воздействием космических лучей.

Изменение критической точки

Масса, в которой достигается критическое состояние, может быть изменена путем изменения определенных характеристик, таких как топливо, форма, температура, плотность и установка нейтронного отражателя. Эти характеристики обладают сложными взаимодействиями и взаимосвязями. Приведенные примеры иллюстрируют лишь самые простые идеальные случаи.

Изменение количества топлива

Возможно, что тепловыделяющая сборка может стать критической при почти нулевой мощности. Если бы идеально рассчитанное количество топлива было добавлено к немного субкритической массе для создания "точно критической массы", цепная реакция поддерживалась бы только в течение одного поколения нейтронов (после чего потребление топлива снова сделало бы сборку субкритической). Аналогично, если бы идеально рассчитанное количество топлива было добавлено к немного субкритической массе, чтобы создать едва сверхкритическую массу, температура сборки повысилась бы до начального максимума (например, на 1 К выше температуры окружающей среды), а затем со временем снизилась бы до температуры окружающей среды, поскольку топливо, расходуемое в процессе деления, снова привело бы сборку к субкритическому состоянию.

Изменение формы

Масса может быть точно критической, даже не будучи идеально однородной сферой. Дальнейшее приближение формы к идеальной сфере приведет к переходу массы в сверхкритическое состояние. И наоборот, изменение формы в сторону отклонения от идеальной сферы уменьшит ее реактивность и сделает ее субкритической.

Изменение температуры

Масса может быть точно критической при определенной температуре. Сечения деления и поглощения увеличиваются при уменьшении относительной скорости нейтронов. С повышением температуры топлива нейтроны с заданной энергией кажутся быстрее, и, следовательно, вероятность деления/поглощения снижается. Это связано с доплеровским уширением резонансов 238U, но справедливо для любого топлива/поглотителя/конфигурации. Если не учитывать важные резонансы, полное сечение взаимодействия нейтронов с любым материалом обратно пропорционально относительной скорости нейтронов. Горячее топливо всегда менее реакционноспособно, чем холодное (вопросы пере- или недоумеренности в LWR – отдельная тема). Термическое расширение, сопровождающее повышение температуры, также вносит отрицательный вклад в реактивность, поскольку атомы топлива удаляются друг от друга. Масса, находящаяся в точном критическом состоянии при комнатной температуре, станет подкритической в любой среде с температурой выше комнатной только из-за теплового расширения.

Изменение плотности массы

Чем выше плотность, тем ниже критическая масса. Плотность материала при постоянной температуре можно изменить, изменяя давление или напряжение, либо изменяя кристаллическую структуру (см. аллотропные модификации плутония). Идеальная масса станет докритической, если ей дать расшириться, и наоборот, та же масса станет сверхкритической при сжатии. Изменение температуры также может изменить плотность, однако влияние на критическую массу в этом случае усложняется температурными эффектами (см. раздел "Изменение температуры") и тем, расширяется или сжимается материал при повышении температуры. Если предположить, что материал расширяется с повышением температуры (например, обогащенный уран-235 при комнатной температуре), то в точно критическом состоянии он станет докритическим при нагревании до меньшей плотности или сверхкритическим при охлаждении до большей плотности. Такой материал характеризуется отрицательным температурным коэффицитом реактивности, что указывает на снижение его реактивности при повышении температуры. Использование такого материала в качестве топлива означает, что скорость деления ядер уменьшается с ростом температуры топлива.

Использование нейтронного рефлектора

Окружение сферической критической массы нейтронным отражателем дополнительно снижает массу, необходимую для достижения критичности. Распространенным материалом для нейтронного отражателя является металлический бериллий. Это уменьшает число нейтронов, покидающих делящийся материал, что приводит к увеличению реакционной способности.

Использование манипулятора

В бомбе плотная оболочка материала, окружающая делящееся ядро, удерживает расширяющееся делящееся вещество за счет инерции, что повышает эффективность. Это называется отскоком (тампером). Отскок также склонен действовать как отражатель нейтронов. Поскольку бомба использует быстрые нейтроны (а не замедленные отражением от легких элементов, как в реакторе), нейтроны, отраженные отскоком, замедляются при столкновениях с ядрами материала отскока, и из-за того, что отраженным нейтронам требуется время, чтобы вернуться в делящееся ядро, они поглощаются делящимся ядром несколько позже. Однако они вносят вклад в реакцию и могут уменьшить критическую массу в четыре раза. Кроме того, если отскок состоит из (например, обедненного) урана, он сам может делиться под воздействием высокоэнергетических нейтронов, образующихся при первичном взрыве. Это может значительно увеличить мощность, особенно если еще больше нейтронов генерируется в результате термоядерного синтеза изотопов водорода, в так называемой усиленной конфигурации.

Критический размер

Критический размер — это минимальный размер активной зоны ядерного реактора или ядерного оружия, который может быть достигнут при заданной геометрической конфигурации и материальном составе. Критический размер должен включать в себя как минимум достаточное количество делящегося вещества для достижения критической массы. Если размер активной зоны меньше определенного минимального значения, слишком много нейтронов деления покидает ее поверхность, и цепная реакция не поддерживается.

Быстрая критичность

В случае деления должно выделяться в среднем более одного свободного нейтрона необходимого уровня энергии для поддержания цепной реакции, и каждый из них должен найти другие ядра и вызвать их деление. Большинство нейтронов, высвобождающихся при делении, возникают непосредственно в момент этого события, но некоторая часть появляется позже, при распаде продуктов деления, что происходит в среднем от микросекунд до минут спустя. Это благоприятно для атомной энергетики, поскольку без этой задержки достижение критического состояния было бы немедленно катастрофическим, как в ядерном оружии, где более 80 поколений цепной реакции происходят менее чем за микросекунду – слишком быстро для реакции человека или даже машины. Физики выделяют две важные точки в постепенном нарастании потока нейтронов: критическую, когда цепная реакция становится самоподдерживающейся благодаря вкладу обоих типов генерации нейтронов, и быстрокритическую, когда только немедленные нейтроны способны поддерживать реакцию без участия нейтронов, образующихся при распаде. Атомные электростанции работают в диапазоне между этими двумя точками реактивности, а область выше быстрокритической точки относится к ядерному оружию и некоторым ядерным авариям, таким как Чернобыльская катастрофа.