Masa krytyczna materiału rozszczepialnego to minimalna masa materiału wystarczająca do wywołania reakcji łańcuchowej rozszczepienia jądrowego (patrz także: rozszczepienie jądrowe ).
Zależy to od właściwości jądrowych rozważanego materiału ( przekrój rozszczepienia i liczby neutronów wytworzonych w wyniku rozszczepienia), ale także od jego właściwości fizycznych (w szczególności od gęstości ), jego kształtu i czystości .
Rzeczywiście, materiał rozszczepialny to materiał zawierający ciężkie atomy ( np. Uran 235 ), które pękają (rozszczepiają się) pod wpływem neutronu. Rezultatem tego rozszczepienia są szczątkowe produkty rozszczepienia, energia (głównie cieplna) oraz emisja dwóch do trzech nowych neutronów, które same rozbiją inne jądra itd., Stąd określenie „reakcja łańcuchowa”.
Jednak ten proces jest teoretyczny. Mówiąc najprościej, nie wszystkie neutrony są absorbowane przez rozszczepialne jądro: niektóre są absorbowane przez zanieczyszczenia, inne wychodzą z materiału bez napotkania jądra, które ma zostać rozbite.
Tak więc, zmieniając rozmiar, gęstość, czystość materiału, sam kształt, większa część neutronów będzie skuteczna. Przy minimalnej ilości materiału może rozpocząć się reakcja łańcuchowa, nazywana „masą krytyczną”.
Otaczanie materiału rozszczepialnego reflektorem neutronów sprzyja rozszczepianiu, co zmniejsza ilość niezbędną do wywołania reakcji; z drugiej strony, obecność pochłaniacza neutronów w materiale rozszczepialnym powoduje odwrotny skutek.
Masy krytyczne niektórych izotopów rozszczepialnych w konfiguracji kulistej i przy danej gęstości:
| Izotop | Masa krytyczna (kg) |
Okres półtrwania (lata) |
Ciepło rozszczepienia (W / kg) |
Produkcja neutronów (neutrony / kg / s) |
|---|---|---|---|---|
| Uran 233 | 16 | 160 000 | 0,28 | 1.2 |
| Uran 235 | 48 | 700 000 000 | 0,00006 | 0.36 |
| Świnoujście 237 | 59 | 2,100,000 | 0,021 | 0.14 |
| Puszcza Niepołomicka 238 | 10 | 88 | 560 | 2,700,000 |
| Puszcza Niepołomicka 239 | 10 | 24 000 | 2.0 | 22 |
| Plutonium 240 | 37 | 6,600 | 7 | 1000000 |
| Wiśniewska 241 | 13 | 14 | 6.4 | 49 |
| Puszcza Niepołomicka 242 | 89 | 380 000 | 0.12 | 1 700 000 |
| Wiśniewska 241 | 57 | 430 | 110 | 1500 |
IAEA definiuje „znaczną ilość” materiału rozszczepialnego jako ilość materiału potrzebnego do dokonania pierwszej generacji implozji bomby, takich jak bomby Nagasaki. Znaczne ilości zatrzymane przez MAEA to 8 kg plutonu i 25 kg U 235 w postaci wysoko wzbogaconego uranu (z uwzględnieniem strat produkcyjnych). Jednak Stany Zjednoczone podały do wiadomości publicznej, że 4 kg plutonu wystarcza do wykonania nuklearnego urządzenia wybuchowego. Bazując na tym samym współczynniku masy krytycznej, trzykrotnie większa (rzędu 12 kg ) ilość HEU byłaby wystarczająca dla maszyny tej technologii.