Критическая масса

Критическая масса — в ядерной физике минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в таком количестве вещества больше единицы или равен единице. Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими.

Величина критической массы зависит от свойств вещества (таких, как сечения деления и радиационного захвата), от плотности, количества примесей, формы изделия, а также от окружения. Например, наличие отражателей нейтронов может сильно уменьшить критическую массу.

В ядерной энергетике параметр критической массы является определяющим при конструировании и расчётах самых разнообразных устройств, использующих в своей конструкции различные изотопы или смеси изотопов элементов, способных в определенных условиях к ядерному делению с выделением колоссального количества энергии. Например, при проектировании мощных радиоизотопных генераторов, в которых используются в качестве топлива уран и ряд трансурановых элементов, параметр критической массы ограничивает мощность такого устройства. При расчётах и производстве ядерного и термоядерного оружия параметр критической массы существенным образом влияет как на конструкцию взрывного устройства, так и на его стоимость и сроки хранения. В случае проектирования и строительства атомного реактора, параметры критической массы также ограничивают как минимальные, так и максимальные размеры будущего реактора.

Наименьшей критической массой обладают растворы солей чистых делящихся нуклидов в воде с водяным отражателем нейтронов. Для ²³⁵U критическая масса такого раствора равна 0,8 кг, для ²³⁹Pu — 0,5 кг, для некоторых солей ²⁵¹Cf — 10 г.

Критический размер

Критическая масса <math>M</math> связана с критической длиной <math>l</math> <math>M \sim l^{x}</math>, где x зависит от формы образца и лежит в пределах от 2 до 3. Зависимость от формы связана с утечкой нейтронов через поверхность: чем больше поверхность, тем больше критическая масса. Образец с минимальной критической массой имеет форму шара.

Основные оценочные характеристики чистых изотопов, способных к ядерному делению

Изотоп	Получение (источник)	Период полураспада T½	Критическая масса	Плотность г/см³	Темпе- ратура плавле- ния °С	Тепловы- деление Вт/кг	Нейтроны спонтанного деления 105(кг·с)
231Pa	Реактор	32760 лет	750±180 кг	15,37	1572
232U	Реактор на быстрых нейтронах	68,9 лет		19,04	1134	8097
233U	Реактор	159200 лет	15 кг	19,04	1134
235U	Природный уран	7,038·108 лет	50 кг	19,04	1134
236U	Реактор	2,3416·107 лет	? кг	19,04	1134
237Np	Реактор	2,14·107 лет	57 кг	20,25	637	0,022	0
236Pu	Реактор	2,9 лет	6—8 кг	19,84	639,7	18500	349
238Pu	Реактор	87,7 лет	9,6—9,8 кг	19,84	639,7	568	26,6
239Pu	Реактор	24100 лет	10 кг	19,84	639,7	1,92
240Pu	Реактор	6500 лет	36,9 кг	19,84	639,7	7,1	9,1
241Pu	Реактор	14,4 лет	13 кг	19,84	639,7	3,2	0
242Pu	Реактор	380000 лет	83,4 кг	19,84	639,7	0,113	16,9
241Am	Реактор	432 года	60 кг	13,67	1180	114	0,012
242mAm	Реактор	152 года	3,78 кг	13,67	1180
243mAm	Реактор	141 год	9,1 кг	13,67	1180	3,84	1,49
243Am	Реактор	7400 лет	208,8 кг	13,67	1180	6,4	0,03
243Cm	Реактор	28,5 лет	8,6 кг	13,51	1340	1900	0
244Cm	Реактор	18,1 лет	27 кг	13,51	1340	2830	1,11
245Cm	Реактор	8500 лет	9,2 кг	13,51	1340	5,7	0
246Cm	Реактор	4730 лет	39—70,1 кг	13,51	1340
247Cm	Реактор	1,56·107 лет	6,94—7,06 кг	13,51	1340
248Cm	Реактор	340000 лет		13,51	1340
249Cf	Реактор	351 год	5,9 кг	15,1
250Cf	Реактор	13,08 лет		15,1
251Cf	Реактор	898 лет	1,94 кг	15,1
252Cf	Реактор	2,638 года	2,73 кг	15,1

Литература

• E. D. Clayton, [www.pnl.gov/main/publications/external/technical_reports/PNNL-19176.pdf ANOMALIES OF NUCLEAR CRITICALITY, REVISION 6] // Pacific Northwest Laboratory, February 2010

Ссылки

• www.euronuclear.org/info/encyclopedia/criticalmass.htm

Отрывок, характеризующий Критическая масса

– Я не боюсь, – отвечал голос Сони, и по дорожке, по направлению к Николаю, завизжали, засвистели в тоненьких башмачках ножки Сони.
Соня шла закутавшись в шубку. Она была уже в двух шагах, когда увидала его; она увидала его тоже не таким, каким она знала и какого всегда немножко боялась. Он был в женском платье со спутанными волосами и с счастливой и новой для Сони улыбкой. Соня быстро подбежала к нему.
«Совсем другая, и всё та же», думал Николай, глядя на ее лицо, всё освещенное лунным светом. Он продел руки под шубку, прикрывавшую ее голову, обнял, прижал к себе и поцеловал в губы, над которыми были усы и от которых пахло жженой пробкой. Соня в самую середину губ поцеловала его и, выпростав маленькие руки, с обеих сторон взяла его за щеки.
– Соня!… Nicolas!… – только сказали они. Они подбежали к амбару и вернулись назад каждый с своего крыльца.


Когда все поехали назад от Пелагеи Даниловны, Наташа, всегда всё видевшая и замечавшая, устроила так размещение, что Луиза Ивановна и она сели в сани с Диммлером, а Соня села с Николаем и девушками.
Николай, уже не перегоняясь, ровно ехал в обратный путь, и всё вглядываясь в этом странном, лунном свете в Соню, отыскивал при этом всё переменяющем свете, из под бровей и усов свою ту прежнюю и теперешнюю Соню, с которой он решил уже никогда не разлучаться. Он вглядывался, и когда узнавал всё ту же и другую и вспоминал, слышав этот запах пробки, смешанный с чувством поцелуя, он полной грудью вдыхал в себя морозный воздух и, глядя на уходящую землю и блестящее небо, он чувствовал себя опять в волшебном царстве.
– Соня, тебе хорошо? – изредка спрашивал он.
– Да, – отвечала Соня. – А тебе ?
На середине дороги Николай дал подержать лошадей кучеру, на минутку подбежал к саням Наташи и стал на отвод.
– Наташа, – сказал он ей шопотом по французски, – знаешь, я решился насчет Сони.
– Ты ей сказал? – спросила Наташа, вся вдруг просияв от радости.
– Ах, какая ты странная с этими усами и бровями, Наташа! Ты рада?
– Я так рада, так рада! Я уж сердилась на тебя. Я тебе не говорила, но ты дурно с ней поступал. Это такое сердце, Nicolas. Как я рада! Я бываю гадкая, но мне совестно было быть одной счастливой без Сони, – продолжала Наташа. – Теперь я так рада, ну, беги к ней.
– Нет, постой, ах какая ты смешная! – сказал Николай, всё всматриваясь в нее, и в сестре тоже находя что то новое, необыкновенное и обворожительно нежное, чего он прежде не видал в ней. – Наташа, что то волшебное. А?
– Да, – отвечала она, – ты прекрасно сделал.
«Если б я прежде видел ее такою, какою она теперь, – думал Николай, – я бы давно спросил, что сделать и сделал бы всё, что бы она ни велела, и всё бы было хорошо».
– Так ты рада, и я хорошо сделал?
– Ах, так хорошо! Я недавно с мамашей поссорилась за это. Мама сказала, что она тебя ловит. Как это можно говорить? Я с мама чуть не побранилась. И никому никогда не позволю ничего дурного про нее сказать и подумать, потому что в ней одно хорошее.
– Так хорошо? – сказал Николай, еще раз высматривая выражение лица сестры, чтобы узнать, правда ли это, и, скрыпя сапогами, он соскочил с отвода и побежал к своим саням. Всё тот же счастливый, улыбающийся черкес, с усиками и блестящими глазами, смотревший из под собольего капора, сидел там, и этот черкес был Соня, и эта Соня была наверное его будущая, счастливая и любящая жена.
Приехав домой и рассказав матери о том, как они провели время у Мелюковых, барышни ушли к себе. Раздевшись, но не стирая пробочных усов, они долго сидели, разговаривая о своем счастьи. Они говорили о том, как они будут жить замужем, как их мужья будут дружны и как они будут счастливы.
На Наташином столе стояли еще с вечера приготовленные Дуняшей зеркала. – Только когда всё это будет? Я боюсь, что никогда… Это было бы слишком хорошо! – сказала Наташа вставая и подходя к зеркалам.
– Садись, Наташа, может быть ты увидишь его, – сказала Соня. Наташа зажгла свечи и села. – Какого то с усами вижу, – сказала Наташа, видевшая свое лицо.
– Не надо смеяться, барышня, – сказала Дуняша.
Наташа нашла с помощью Сони и горничной положение зеркалу; лицо ее приняло серьезное выражение, и она замолкла. Долго она сидела, глядя на ряд уходящих свечей в зеркалах, предполагая (соображаясь с слышанными рассказами) то, что она увидит гроб, то, что увидит его, князя Андрея, в этом последнем, сливающемся, смутном квадрате. Но как ни готова она была принять малейшее пятно за образ человека или гроба, она ничего не видала. Она часто стала мигать и отошла от зеркала.