Kriittinen massa

Wikipedia

Ydinten halkemaisesta vapautuneet neutronit halkovat suuressa uraanikimpaleessa enemmän neutroneja kuin pienessä, koska suuressa kimpaleessa tapahtuu törmäys suuremmalla todennäköisyydellä kuin pienessä. Kriittinenmassa saavutetaan helpommin, jos halkeamiskelpoinen uraani tai plutonium ympäröidään neutroniheijastimella.

Kriittinen massa on atomin ytimien halkeamisreaktioissa se halkeamiskelpoisen aineen massa, jossa ydinreaktio jatkuu itsestään. Esimerkiksi uraaniydin halkeaa, kun sitä pommitetaan neutroneilla, jos se on atomipainoa 235. Halkeaminen eli fissio tuottaa kaksi pienempää atomiydintä ja 2-3 neutronia, jotka halkovat uusia uraaniytimiä, jos näitä osuu neutronien kulkutielle. Se että halkeavan uraaniatomin vieressä olevaan atominytimeen osuisi, on äärimmäisen harvinaista. Mutta jos uraaniatomin ytimiä on tarpeeksi, osuminen yleistyy ja on täysin varmaa, jos uraaninytimiä on kriittisen massan varran. Pienestä uraanikimpaleesta karkaavat lähes kaikki neutronit, ja se ei ole silloin kriittinen.

Kriittistä massaa kuvaa hyvin metsävertaus: pienessä metsikössä voi nähdä puiden välistä ympäröivää maisemaa. Tämä vastaa pientä määrää uraaniytimiä ei-kriittisessä tapauksessa. Jos metsikkö on kyllin suuri, puiden rungot peittävät ympäröivän maiseman kokonaan. Se vastaa kriittistä massaa, jossa neuroni ei pääse karkaamaan.

Jos jokin voima puristaa uraanikimpaletta voimakkaasti, sen kriittinen massa pienenee. Epäpuhtaudet uraanissa kasvattavat kriittistä massaa, uraania ympäröivä neutroneita heijastava aine pienentää.

Ydinreaktorissa ollaan juuri ja juuri kriittisessä massassa, atomipommissa kriittinen massa ylittyy.

[muokkaa] Kriittinen massa

Plutoniumpallo joka on osittain ympäröity neutroneja heijastavilla volframikarbidilohkoilla. Vuoden 1945 ylikriittisen massan aiheuttaman onnettomuuden toisinto. Koejärjestelyssä oli tarkoitus mitata ylimääräisen lohkon lisäyksen aiheuttamaa säteilyn kasvua, mistä aiheutui ylikriittisen massan synty.

Kriittisen massan määrittävät paitsi aineen määrä, myös kappaleen muoto ja mahdollisesti ydinreaktiota kiihdyttävät heijastimet kappaleen ympärille. Kriittinen massa liittyy törmäystodennäköisyyteen. Atomiytimen hajoamisesta, fissiosta vapautuvat neutronit lentelevät satunnaisiin suuntiin kovaa vauhtia, eikä atomiydinten vetovoima pysty niitä sanottavasti hidastamaan ja vetämään puoleensa. Kun keskimäärin vähintään yksi neutroni aiheuttaa toiseen atomiytimeen törmätessään uuden hajoamisen, kriittinen massa on saavutettu.

Kriittistä massaa kasvattavat halkeamiskelpoisessa aineessa olevat satunnaiset epäpuhtaudet ja "väärät" isotoopit sekä neutroneita imevät aineet. Kriittistä massaa pienentävät ympärillä oleva neutroneita heijastava aine, esimerkiksi beryllium sekä fissioituvan aineen suurempi tiheys. Jos U-235-kappaletta ympäröi berylliumista koostuva riittävän paksu neutroniheijastin, kriittinen massa pienenee 15 kg:een. Fissioituvaa ainetta tihentää atomipommissa yleensä tavanomainen räjähdys. Kriittiseen massaan vaikuttavat sekä uraanin rikastus että sen määrä.

Ydinreaktorissa kustakin halkeamisesta seuraa vain yksi halkeaminen, eli ydinreaktorissa ollaan juuri kriittisessä massassa. Ketjureaktio pidetään hallinnassa muun muassa neutroneja imevien säätösauvojen avulla, jolloin mitään räjähdyksen tapaistakaan ei synny. Normaali uraanireaktori ei voi räjähtää kuin atomipommi.

[muokkaa] Uraani ja plutonium

Uraanin halkeaminen vapauttaa uusia neutroneja, jotka voivat halkaista kaikki kappaleen uraaniatomit, jos kriittinen massa on saavutettu

Puhtaalle U-235:lle kriittinen massa on noin 52 kg. Tämä vastaa 17 cm:n läpimittaista palloa. 93,5-prosenttiselle aseluokan uraanille kriittinen massa on 56 kg. Jos uraani kutistetaan räjähteillä tiheäksi, kriittinen massa pienenee 8 kg:aan. Vastaava massa plutoniumille on noin 4 kg. On joskus väitetty, että ydinräjähdys saadaan aikaan sopivilla keinoilla yhdellä kilolla fissioituvaa ainetta. U-235:n suhteen 20 % seoksessa kriittinen massa olisi 400 kg eli epäkäytännöllisen iso pommiin. 40-prosenttisella seoksella massa on ehkä 75 kg. Hiroshiman pommissa käytettiin 80-prosenttisesti rikastettua uraania, jonka kriittinen massa on 60 kg.

Plutonium-239:lle kriittinen massa on vain noin 11 kg. Aseluokan plutoniumiin käytetään plutonium-239:ää (Pu-239), jonka puhtausaste on yli 90 %. Toisin kuin joskus väitetään, myös reaktoriluokan plutoniumista (kriittinen massa 13 kg) voi tehdä pommin, mutta sen räjähdystehon ennustaminen on vaikeampaa. 13–35 kg:sta plutoniumoksidia voi tehdä alkeellisen ydinaseen, jonka räjähdysteho on pieni ja vaikeasti ennustettava, korkeintaan 0,1–1,0 kt.

Plutoniumin kriittinen massa vaihtelee sen isotooppikoostumuksen mukaan. Ns. reaktoriluokan plutoniumille se lienee 13–18 kg, ja puhtaalle Pu-239:lle 10–11 kg. Jos plutoniumkappale ympäröidään 15 cm paksulla luonnonuraanikerroksella, kriittinen massa alenee hieman yli 4 kg:aan. Nykyaikaisilla puristustekniikoilla pommissa tarvitaan aseluokan plutoniumia aseessa vain 2–4 kg ja reaktoriluokankin 5 kg.

[muokkaa] Muut aineet

Muita fissioituvia aineita kuin uraani ja plutonium ovat mm. neptunium-237, amerikium-241, curium-245 ja kalifornium-251. Nämä ovat yleensä epävakaita alkuaineita. Kaikkien puoliintumisaika on yli 100 vrk.

[muokkaa] Katso myös

• Ydinase
• Fissio