Какая масса урана является критической? Информация для химиков

Критическая масса вещества – это используемое в ядерной физике понятие, показывающее, какое количество химического элемента необходимо для протекания цепных ядерных реакций. Наиболее применяемое для таких целей вещество – уран.

Критическая масса урана: сколько нужно для поддержания реакции

Уран-235 – радиоактивное вещество, широко применяемое в ядерных реакторах для получения электрической энергии вследствие цепных реакций деления его ядер. Во время распада последнее высвобождает до восьми нейтронов, в среднем – около 2,5 элементарных частиц. Каждая при попадании на ядро радиоактивного нуклида вызывает его последующий распад, также сопровождающийся испусканием нейтронов. Этот процесс называется цепной ядерной реакцией.

Физики утверждают: на втором и последующих этапах распада урановых ядер число нейтронов достигает 32 = 9, и с каждым последующим их количество лавинообразно увеличивается. На практике далеко не каждый из них сталкивается с ядром и участвует в цепной реакции деления – порождает её новый этап. Основная причина – размеры ядра. Оно в тысячи раз меньше, чем атом, и при малом количестве вещества нейтрон способен покинуть его.

Когда каждое деление порождает ещё хотя бы одно, реакцию называют самоподдерживающейся, а объём вещества – критическим. На практике этого добиться сложно – течение реакции зависит от ряда внешних факторов.

В природе способного к поддержанию цепных реакций нуклида 235U на порядки меньше, чем 238U: 0,7% против 99,3%. Причём второй поглощает испускаемые ядрами урана-235 элементарные частицы, чем быстро гасит протекание цепной реакции. Следовательно, химический элемент нуждается в очистке или обогащении – важное условие протекания цепных реакций. Они невозможны без достаточно большого количества урана, ведь в образцах малых габаритов множество нейтронов не сталкиваются с ядрами, а вылетают из материала во внешнюю среду.

Минимальная масса урана, способная к порождению и самоподдерживанию цепной реакции распада его ядер, называется критической. Если вещества будет меньше, реакция быстро затухает, при больших объёмах образца процесс протекает лавинообразно, вызывая мощный ядерный взрыв – применяется при создании оружия массового поражения, например, «Малыша», которым уничтожили Хиросиму.

Какая масса урана является критической, способы её изменения

Для протекания незатухающего деления урановых ядер в несколько этапов прибегают к следующим решениям:

1. увеличение объёма образца;


2. изменение состава изотопов путём повышения концентрации 235U;


3. уменьшение потери нейтронов, вылетающих из образца путём применения отражателей;


4. задействование замедлителя нейтронов, повышающего количество медленных нейтронов.

Какая же масса урана является критической? Практика показала, что для протекания самоподдерживающейся реакции деления необходимо несколько десятков килограммов обогащённого вещества. Для 235U это около 50 кг – сфера диаметром 17 см. Плутония-239 достаточно 11 кг.