Kritische massa

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Nucleaire kettingreactie: In dit hypothetische voorbeeld worden door iedere kernsplijting twee neutronen gevormd, die steeds allebei een splijtbare kern raken. Hier zou de vermenigvuldigingsfactor dus k=2 zijn, een zeer superkritische toestand.
Wanneer te veel neutronen worden geabsorbeerd of de opstelling verlaten, zal geen nucleaire kettingreactie in stand worden gehouden. Wanneer men een groter volume materiaal neemt, zullen naar verhouding minder neutronen het materiaal verlaten, en wordt de reactie (superkritisch). Het gebruik van een neutronenreflector zorgt ervoor dat minder neutronen het materiaal verlaten en verlaagt dus de kritische massa.

De kritische massa of kritieke massa is de minimale hoeveelheid splijtbaar materiaal die nodig is om een nucleaire kettingreactie 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, een neutronenmoderator en eventuele neutronenabsorberende substanties.

In hoeverre een opstelling (bijvoorbeeld een kernreactor) kritisch is, wordt meestal aangegeven met de vermenigvuldigingsfactor k. Dit getal drukt uit hoeveel neutronen er gemiddeld door kernsplijting worden gevormd uitgaande van één neutron; men spreekt in dit verband van 'generaties' neutronen, alsof de neutronen allemaal tegelijk wel of niet een splijting veroorzaken en bijvoorbeeld 1000 neutronen in de eerste generatie bij k=1,01 leiden tot 1010 neutronen in de volgende generatie, enzovoort. Als de factor k kleiner is dan 1, zal geen kettingreactie ontstaan - de opstelling is subkritisch of onderkritisch. Beginnend met een aantal neutronen zal in iedere volgende generatie het aantal neutronen afnemen. Als k groter is dan 1, zal een kettingreactie ontstaan waarbij het aantal kernsplijtingen steeds verder toeneemt. Hiervoor is uiteraard nodig dat zich ten minste enkele neutronen met de juiste energie in het materiaal bevinden. Deze kunnen komen uit toevoegingen aan het materiaal (opzettelijk of als verontreiniging) of van een externe neutronenbron. Bij precies k=1 is de opstelling kritisch.

Reactoren[bewerken]

In een splijtingsreactor wordt de reactorkern voor productie in de buurt van kritisch (k=1) gehouden. Het instelpunt van de reactie wordt hier bestuurd met regelstaven 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 kritische massa verandert, en de reactie vertraagt of versnelt. Ook hier spreekt men van criticaliteit wanneer k=1.

Prompte en nakomende neutronen[bewerken]

Belangrijk voor het in de hand houden van reacties in een kernreactor is het onderscheid dat hierbij moet worden gemaakt tussen prompte neutronen (dat zijn neutronen die onmiddellijk vrijkomen bij een kernsplijting) en vertraagde of nakomende neutronen, die enige tijd (ca. 10 seconden) na een kernsplijting vrijkomen door radioactief verval van de splijtingsproducten. Deze laatste maken maar een kleine fractie uit van de totale hoeveelheid neutronen, maar zijn zeer belangrijk bij de regeling.

Wanneer er alleen prompte neutronen zouden zijn, zou een zeer weinig superkritische reactor zeer snel 'op hol slaan': de tijd tussen twee 'generaties' is kort: de kernsplijting zelf en het bereiken van de volgende splijtbare atoomkern duurt een fractie van een seconde. Men kan uitrekenen dat in zo'n geval het aantal neutronen in niet meer dan enkele milliseconden al verdubbelt, ook als de reactor maar net superkritisch is. Door de aanwezigheid van vertraagde neutronen is de reactie in de hand te houden: voor prompte neutronen maakt men de opstelling dan nog net subkritisch, en de vertraagde neutronen zijn nodig om de reactie net superkritisch te krijgen. Die laatste komen echter met een vertraging vrij, zodat het aantal neutronen niet in enkele milliseconden verdubbelt, maar in ca. 10 seconden; genoeg tijd om de reactor netjes bij te kunnen blijven regelen.

Kriticiteitsongeval[bewerken]

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. Een recent voorbeeld is het kernongeluk bij Tokaimura in Japan (1999), waarbij een vat met een oplossing van uranylnitraat (verrijkt in uranium-235) te ver werd gevuld, waardoor een kritische massa uranium-235 werd bereikt.

Een bijzonder ernstige situatie doet zich voor wanneer een kernreactor 'prompt kritisch' wordt: in dat geval kan de kettingreactie al door de prompte neutronen alleen in stand worden gehouden, en de hoeveelheid neutronen neemt zeer snel toe. De reactor is dan niet meer bij te regelen, en deze situatie mag zich dan ook nooit voordoen. Onder meer bij de kernramp van Tsjernobyl leidde prompte kriticiteit tot een explosie van de reactor.

Wapens[bewerken]

Veel splijtstof onverbruikt weggeslingerd door te traag opeen schieten van de twee delen

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. Deze samenpersing moet binnen een zeer korte tijd gebeuren aangezien anders de kettingreactie start voordat de bedoelde splijtstofconfiguratie is ontstaan. Hierdoor wordt de samendrukking verstoord en het wapen werkt niet zoals bedoeld. (Engels: fizzle). Zeer veel splijtstof zal daarbij ongebruikt weggeslingerd worden.

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]
Kritische massa

Oorzaak van het ontstaan van de kritische massa[bewerken]

Een aantal stoffen, zoals uranium, plutonium en polonium vervallen en zenden daarbij neutronen uit.
Zolang de massa van de vervallende stof klein is (kleiner dan de kritische massa), vliegen de meeste van die neutronen door de stof heen naar buiten. De mate waarin dit gebeurt is afhankelijk van de oppervlakte van de buitenkant van die stof. De oppervlakte wordt gegeven door een tweedemachtsfunctie.
Sommige van die neutronen worden ingevangen door andere atomen van de stof. De mate waarin dit gebeurt, is afhankelijk van de inhoud van de stof. De inhoud wordt gegeven door een derdemachtsfunctie.
Een derdemachtsfunctie verloopt steiler dan een tweedemachtsfunctie. Naarmate de vervallende stof meer massa heeft (de kritische massa nadert), komt er een moment dat de derdemachtsfunctie de tweedemachtsfunctie snijdt. Er worden meer en meer neutronen ingevangen door andere atomen. Deze atomen gaan daardoor ook vervallen en dus neutronen uitzenden. Er ontstaat een kettingreactie. Het aantal ontsnappende neutronen daalt relatief: het wordt onvoldoende om de groeiende stroom neutronen kwijt te raken. Niet lang daarna zal de stof voor een groot deel vrijwel tegelijkertijd vervallen. Hierbij wordt ca. 0,1% van de massa omgezet in energie.