Kritische massa
De kritische massa of kritieke massa is de hoeveelheid nucleair materiaal welke nodig is om een kettingreactie door kernsplijting in stand te houden. Ze is onder andere afhankelijk van de fysische eigenschappen van het materiaal, de vorm, de dichtheid, de zuiverheid en het al dan niet aanwezig zijn van een neutronenreflector.
De reactiegraad wordt vaak aangeduid met k. Bij een subkritische massa ontstaat geen kettingreactie en is k<1. Wanneer de kritische massa wordt bereikt, en de reactie zichzelf net in stand houdt, geldt k=1. Bij een superkritische massa is k>1, en neemt de splijtingsfrequentie uit zichzelf toe.
[bewerk] Criticaliteit
Soms wordt onbedoeld de kritische massa bereikt, bijvoorbeeld wanneer veel radioactief afval te dicht bij elkaar wordt opgeslagen, of een splijtbare stof onbedoeld uit een vloeistof indampt of neerslaat.
[bewerk] Reactoren
In een splijtingsreactor worden de reactorkern voor produktie in de buurt van kritisch (k=1) gehouden. Het instelpunt van de reactie wordt hier bestuurd met staven van een neutronenabsorberend materiaal als Cadmium of Boor. Deze staven kunnen in en uit de kern worden geschoven waardoor -voor de reactor als geheel- als het ware de kritieke massa verandert, en de reactie vertraagt of versnelt. Ook hier spreekt men van criticaliteit wanneer k>1.
[bewerk] Wapens
De splijtstof in een splijtingswapen moet bij detonatie superkritisch worden, dat wil zeggen dat de massa groter wordt dan de kritische massa. Bij één methode wordt tot het moment van detonatie de lading van wapen verdeeld gehouden in kleine delen (met een massa kleiner dan de kritische), die tijdens de detonatie snel bij elkaar worden gebracht.
Bij de gebruikelijke methode wordt een bolvormig inwaarts gericht detonatiefront gebruikt om de splijtstof in extreem korte tijd samen te persen. Hierdoor wordt de subkritische massa superkritisch door de hogere dichtheid en eventueel andere vorm (een massieve in plaats van een holle bol).
In onderstaande tabel zijn de kritische massa's van verschillende isotopen vermeld voor normale dichtheid. Voor een splijtingswapen is minder nodig (zie boven).
| isotoop | kritische massa (kg) |
|---|---|
| uranium-233 | 15 [1] |
| uranium-235 | 50 [2] |
| neptunium-237 | 60 [3] |
| plutonium-239 | 10 [4] |
| plutonium-240 | 40 [5] |
| plutonium-242 | 100 [6] |
| americium-241 | 60 - 100 [7] |
| americium-242m | 9 - 18 [8] |
| americium-243 | 50 - 150 [9] |
| curium-245 | 12 [10] |
| curium-246 | 70 [11] |
| curium-247 | 7 [12] |
| californium-251 | 9 [13] |
