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. При массе больше критической цепная реакция может (при соответствующих условиях) лавинообразно ускоряться, что приводит к ядерному взрыву .

Величина критической массы зависит от свойств вещества (таких, как сечения деления и ), 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 ²³⁵ U критическая масса такого раствора равна 0,8 кг, для ²³⁹ Pu — 0,5 кг, для некоторых солей ²⁵¹ Cf — 10 г .

Критический размер

Критическая масса ${\displaystyle M}$ связана с критической длиной ${\displaystyle l}$ ${\displaystyle M\sim l^{x}}$ , 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	Период полураспада T½, лет	Критическая масса, кг	Тепловы- деление Вт/кг	Нейтроны спонтанного деления 10 5 (кг·с)	Темпе- ратура плавле- ния °С	Плотность г/см³
231 Pa	32 760	750±180			1572	15,37
232 U	68,9	?	8097		1134	19,04
233 U	159 200	15,8
235 U	7,038⋅10 8	46,7
236 U	2,3416⋅10 7	?
237 Np	2,14⋅10 7	63,6	0,022	0	637	20,25
	2,9	6—8	18500	349	639,7	19,84
238 Pu	87,7	9,5	568	26,6
239 Pu	24 100	10	1,92
240 Pu	6500	35,7	7,1	9,1
241 Pu	14,4	12,3	3,2	0
242 Pu	380 000	83,4	0,113	16,9
241 Am	432	57,6	114	0,012	1180	13,67
	141	9,1	3,84	1,49
	7400	208,8	6,4	0,03
	28,5	8,4	1900	0	1340	13,51
244 Cm	18,1	26,6	2830	1,11
245 Cm	8500	9,1	5,7	0
	4730	39—70,1
	1,56⋅10 7	6,9
248 Cm	340 000	?
249 Cf	351	5,9			900	15,1
	13,08	?
251 Cf	898	5,5
252 Cf	2,638	2,73

Литература

• E. D. Clayton, // Pacific Northwest Laboratory, February 2010

Примечания

Ссылки