كتلة حرجة

الكتلة الحرجة critical mass في القيزياء النووية وفيزياء المفاعلات النووية Reactor Physics هي أقل كتلة من يورانيوم-235 أو بلوتونيوم-239 التي يمكن أن يتم فيها التفاعل المتسسل من دون توقف .وفي هذه الحالة يكون عدد النيوترونات داخل الكتلة الحرجة ثابتا.

صورة تمثيلية لتجربة أدت إلى حادث عام 1945 مع كتلة من البلوتونيوم محاطة بعاكس للنيوترونات من كربيد التنجستن

لتوضيح مفهوم الكتلة الحرجة نتصور كرة بحجم قبضة اليد مصنوعة من يورانيوم-235 ، بعد تحفيز أولي لعملية الإنشطار النووي بواسطة تسليط حزمة من النيوترونات على الكرة سيتولد في المتوسط عدد 2.5 نيوترون جراء هذا الأنشطار الأول لنواة ذرة اليورانيوم-235 . وهذا يكون كافيا لبدأ انشطار ثان في نواة أخرى من اليورانيوم-235 . وأثناء هذه السلسلة المتعاقبة من الأنشطارات في اليورانيوم يتسرب الكثير من النيوترونات إلى خارج الكرة ولا تستطيع التفاعل . وبفقد تلك النيوترونات يتوقف التفاعل النووي . ولكن يجب ان يكون معدل تولد النيوترونات داخل الكرة مساو على الأقل لعدد النيوترونات المتسربة إلى الخارج لاستدامةالتفاعلات الانشطارية . وهنا يأتي دور الكتلة الحرجة التي يمكن تعريفها بالحد الأدنى من كتلة مادة نووية معينة(يورانيوم-235 أو بلوتونيوم-239) كافية لدوام سلسلات متعاقبة من الأنشطارات .

إذا كان العنصر المستخدم في عملية الانشطار النووي ذو كتلة يتطلب تسليطا مستمرا بالنيوترونات لتحفيز الأنشطار الأول فإن هذه الكتلة تسمى الكتلة دون الحرجة.

وإذا كان العنصر المستخدم في عملية الأنشطار النووي ذو كتلة قادرة على توليد سلسلات متعاقبة من الانشطار النووي حتى بدون اي تحفيز خارجي بواسطة تسليط نيوترونات خارجية فيطلق على هذه الحالة الكتلة الفوق حرجة وهي المرحلة المطلوبة لتصنيع القنبلة النووية.

توضيح الكتلة الحرجة

الحالة الحرجة لكرة من المادة النووية هي حالة متوازنة بين معدل انتاج النيوترونات في الكتلة ومعدل هروب النيوترونات منها . وتتسم تلك الحالة المتوازنة بعدم تزايد أو تناقص للطاقة الصادرة .

والكتلة الحرجة تعتمد حسابيا على معامل تزايد النيوترونات k، حيث:

k = f − n

حيث:

f متوسط عدد النيوترونات الناتجة من الانشطار الواحد،

n متوسط عدد النيوترونات التي تغادر الكتلة من دون أن تشترك في عملية الانشطار.

فعندما تكون k = 1 ، تكون الكتلة حرجة.

تكون الكتلة دون الحرجة subcritical mass عندما لا تستطيع كتلة المادة النووية الحفاظ على استمرار الانشطار النووي . أي إذا صوبنا حزمة من النيوترونات إلى الكتلة فان معظم تلك النيوترونات سيغادر الكتلة من دون اشتراك في التفاعل . في هذه الحالة تكون k < 1.

وتكون الكتلة فوق حرجة supercritical mass عندما يتزايد معدل التفاعل الانشطاري. وقد تصل الكتلة إلى حالة توازن ( أي أن تعود للحالة الحرجة ثانيا) عند درجة حرارة أعلى وبالتالى طاقة صادرة أعلى وقد تحطم نفسها . وتتسم حالة فوق الحرجة بأن تكون k > 1

أنظر أيضا

• مفاعل نووي
• تفاعل نووي