Kritické množství (též kritická hmotnost) je ve fyzice nejmenší množství štěpného materiálu, které je potřebné k udržení řetězové štěpné jaderné reakce.
Aby se reakce udržela, musí být počet neutronů, které vzniknou štěpením a vyvolají další štěpení, stejný nebo vyšší než počet neutronů, které z materiálu uniknou nebo jsou pohlceny bez vyvolání štěpení. Pokud je hmotnost nižší než kritická (tzv. podkritický stav), reakce vyhasíná. Při dosažení přesně kritického množství je reakce stabilní (princip jaderného reaktoru). Při nadkritické hmotnosti počet štěpení narůstá exponenciálně a dochází k prudkému uvolnění energie, což může vést až k jadernému výbuchu.
Fyzikální princip Kritické množství není konstantní hodnota pro daný izotop, ale závisí na několika faktorech, které ovlivňují neutronovou bilanci v daném objemu:
Druh štěpného materiálu: Vliv má především účinný průřez reakce (tj. pravděpodobnost záchytu neutronu a následného rozštěpení jádra) a počet neutronů vzniklých při jednom rozpadu. Nejnižší kritické množství mají izotopy štěpitelné pomalými neutrony (např. uran 235U, plutonium 239Pu). Tvar: Je-li materiál rozprostřen do větší oblasti, více neutronů uniká do okolí. Ideálním tvarem s nejmenším povrchem pro daný objem je koule, která má proto nejnižší kritickou hmotnost. Hustota: Při vyšší hustotě materiálu (např. při stlačení implozí) jsou jádra blíže u sebe a pravděpodobnost srážky s neutronem roste. Kritické množství se tím snižuje. Čistota: Příměsi jiných prvků mohou pohlcovat neutrony, aniž by vyvolaly štěpení, čímž zvyšují potřebné množství štěpného materiálu. Vliv má i degradace materiálu vlivem samovolného rozpadu nebo hromadění produktů samotného štěpení, viz např. xenonová otrava jaderného reaktoru. Okolní prostředí (odražeč): Pokud je štěpný materiál obklopen látkou, která odráží neutrony zpět (tzv. neutronový odražeč), snižuje se únik neutronů a tím i kritická hmotnost. Jako odražeč se používá např. beryllium, ocel, wolfram nebo ochuzený uran.
Snižování kritického množství v praxi Pro dosažení kritického stavu (například v jaderných zbraních nebo reaktorech) se využívají různé techniky manipulace s výše uvedenými faktory:
Změna tvaru a množství: Spojení dvou či více podkritických kusů materiálu do jednoho nadkritického celku (princip dělových jaderných zbraní, též „gun-type“). Zvýšení hustoty (imploze): Stlačení podkritického jádra pomocí konvenční trhaviny. Zmenšením objemu a zvýšením hustoty se materiál stane nadkritickým. Tohoto využívá většina moderních jaderných zbraní; technicky náročná je především přesná synchronizace a tvarování výbušnin. Použití odražeče: Obložení jádra vrstvou materiálu (např. beryliem), který vrací unikající neutrony zpět do reakce. To může snížit kritickou hmotnost na polovinu až třetinu. Moderace neutronů: V jaderných reaktorech se používá moderátor neutronů (voda, grafit), který neutrony zpomaluje. Pomalé neutrony mají u některých paliv (např. Uran-235) výrazně vyšší pravděpodobnost, že způsobí štěpení, což dovoluje dosáhnout kritického stavu s menším množstvím nebo nižší koncentrací paliva.
Příklady kritických hmotností Přibližné hodnoty kritické hmotnosti pro čisté kovy ve tvaru koule (bez odražeče neutronů): Uran-235: cca 48 kg (koule o průměru 18 cm) Uran-233: cca 16 kg (koule o průměru 12 cm) Plutonium-239: cca 17 kg (koule o průměru 12 cm)
S použitím kvalitního neutronového odražeče mohou být tyto hodnoty výrazně nižší.
Odkazy Reference
Související články Jaderná zbraň Jaderný reaktor
Kategorie:Radioaktivita Kategorie:Jaderná fyzika