Kriittinen massa

Kriittinen massa on fissiilistä materiaalista tehdyn kappaleen massan raja-arvo jossa kappaleen kriittisyys k=1. Raja-arvon ylittävässä arvossa kappaleen kriittisyys k on suurempi kuin 1 (superkriittinen kappale) ja alittavassa arvossa k on alle 1 eli kappale on subkriittinen. Superkriittisessä kappaleessa tapahtuu (aina) spontaani ja progressiivinen ydinreaktioiden ketjureaktio, jolloin kappaleen nuklidit fissioituvat vapauttaen energiaa. Vastaavasti subkriittisella kappaleella ei ikinä. Ydinaseen toiminta perustuu kriittisen massan ylittämiseen. Kriittistä massaa voidaan pienentää ainakin: kappaleen muodolla, materiaalilla, isotooppisella puhtaudella, energiatilalla sekä ulkoisilla neutronilähteillä ja heijastimilla, vaikka kappaleen todellinen massa pysyisikin samana. Myös käsitettä kriittinen koko käytetään. Superkriittinen kappale voidaan luoda mm. puristamalla subkriittinen kappale pienempään tilaan räjähteillä.

Ydinreaktorin kriittisyys. Ydinreaktoreissa ei koskaan synny kappaletta, joka voisi saavuttaa kriittisen massan. Ydinpolttoaineen isotooppinen rikastusaste on tavallisesti 2-5% luokkaa, eikä mikään määrä ydinpolttoainetta voi saavuttaa kriittistä massaa. Reaktoreista puhuttaessa saavutetaan ns. kriittisyys kun reaktorin kokonaiskriittisyys on arvossa k=1, tämä tarkoittaa, että fissioreaktioissa syntyvien vapaiden neutronien määrä on keskimäärin sama kuin uusien fissioiden aiheuttamiseen kuluvien ja reaktorista karkaavien vapaiden neutronien yhteenlaskettu määrä. Tosin sanoen reaktioden määrä per aikayksikkö pysyy samana ja sitä kautta reaktorin teho pysyy muuttumattomana. Reaktorin superkriittisyys tarkoittaa, että kokonaiskriittisyys on yli 1 ja (fissio)reaktioiden määrä per aikayksikkö kasvaa. Subkriittisyys vastaavasti reaktioiden määrä per aikayksikkö laskee. Reaktorin kriittisyyttä voidaan hetkellisesti alentaa tai nostaa, mutta sitten kokonaiskriittisyys pitää palauttaa arvoon 1. Muussa tapauksessa reaktori ylikuumenee ja ydinpolttoaine mahdollisesti sulaa tai ydinketjureaktio pysähtyy.

Kriittinen massa
thumb|250px|[[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.]]

Kriittinen massa riippuu fissiilin aineen tyypistä, muodosta, tiheydestä sekä siitä, miten ympäröivä aine heijastaa neutroneja. 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 kappaleessa on saavutettu. Pienin mahdollinen kriittinen massa saadaan, kun fissiili materiaali on pallon muotoinen. Tällöin tilavuuden suhde materiaalin ulkopinta-alaan on suurin ja siten neutroneja pääsee karkuun vähiten.

Katso myös

 * Ydinase
 * Fissio