Khối lượng tới hạn

Quả cầu plutoni bao quanh bằng các khối carbide wolfram phản xạ neutron trong thí nghiệm năm 1945 ở Phòng thí nghiệm Los Alamos[1]

Phân hạch của Urani-235 dưới tác động của neutron, cho ra hai mảnh hạt nhân và các neutron thứ cấp

Trong vật lý hạt nhân khối lượng tới hạn là khối lượng nhỏ nhất của vật liệu phân hạch cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân ổn định.

Khối lượng tới hạn của một vật liệu phân hạch phụ thuộc vào tính chất hạt nhân của nó, (cụ thể là tiết diện phân hạch hạt nhân hiệu dụng), mật độ, hình dạng, mức độ làm giàu, độ tinh khiết, nhiệt độ, và môi trường xung quanh. Đây là một khái niệm rất quan trọng trong thiết kế các lò phản ứng hạt nhân và vũ khí hạt nhân [2].

Khái niệm

Khái niệm khối lượng tới hạn liên quan chặt chẽ đến phản ứng dây chuyền, trong đó một phản ứng cho ra tác nhân để gây ra các phản ứng tiếp theo [3]. Tuy nhiên tác nhân sinh ra có thể thoát khỏi khối vật liệu mà không gây phản ứng nếu lượng vật liệu quá ít. Khi khối vật liệu ở trong điều kiện lý-hóa xác định thì khối lượng tối thiểu để duy trì các tác nhân đó gây ra được trung bình một phản ứng kế tiếp, được gọi là khối lượng tới hạn.

Trong các phản ứng phân hạch hạt nhân thì tác nhân là neutron. Một neutron phản ứng với một nguyên tử của vật liệu phân hạch, ví dụ plutoni-239 ^239Pu (là vật liệu làm quả bom ném xuống Nagasaki, Nhật Bản), dẫn đến nguyên tử này vỡ ra thành 2 hạt nhân con và vài ba neutron thứ cấp. Khối lượng tới hạn của khối plutoni-239 là khối lượng tối thiểu để cho về trung bình thì những neutron thứ cấp gây được một phân hạch kế tiếp.

Giá trị định lượng bằng số đặc trưng cho khối lượng tới hạn là hệ số nhân neutron hiệu dụng K, biểu thị số neutron trung bình gây ra được phản ứng kế tiếp trong khối.

• Nếu khối lượng dưới tới hạn thì K<1, phản ứng giảm về một mức cân bằng. Số lượng phản ứng hay K tăng dần theo khối lượng. Đây là trạng thái cần có khi bảo quản vật liệu, hoặc trạng thái chờ hoạt động của lò phản ứng hay vũ khí hạt nhân.
• Khi đạt tới khối lượng tới hạn thì K=1, phản ứng tự duy trì với số lượng ổn định. Đây là trạng thái cần có của lò phản ứng hạt nhân khi hoạt động bình thường.
• Nếu khối lượng quá tới hạn thì K>1, phản ứng bùng nổ theo cấp số nhân và có thể mất kiểm soát, hệ thống có thể bị phá hủy do nhiệt phát ra nhiều. Đây là trạng thái cần có của vũ khí hạt nhân khi phát nổ.

Các yếu tố ảnh hưởng

Hình dạng

Nhiệt độ

Mật độ

Phản xạ neutron

Sử dụng vỏ đặc

Khối lượng tới hạn các đồng vị

Bảng Khối lượng tới hạn các đồng vị cho vật thể dạng cầu đồng nhất, và phần lớn là tính toán lý thuyết.

Đồng vị	Khối lượng tới hạn [kg]			Nguồn
	Không có phản xạ	Phản xạ (20 cm H2O)	Phản xạ (30 cm thép)
^229Thori	2839,00	2262,00	994,00
^231Protactini	580–9300 ?	?	?
^233Urani	16,50	7,30	6,10	[4]
^234Urani	145,00	134,00	83,00
^235Urani	49,00	22,80	17,20	[5]
^235Neptuni	66,20	60,00	38,80
^236Neptuni	6,79	3,21	3,30
^237Neptuni	63,6–68,60	57,5–64,60	38,60	[6]
^236Plutoni	ca. 8,04–8,42	5,00	3,74–4,01
^237Plutoni	ca. 3,10	1,71	1,62
^238Plutoni	ca. 9,04–10,31	7,35	4,70	[7]
^239Plutoni	10,00	5,42–5,45	4,49	[4]
^240Plutoni	35,7–39,03	32,1–34,95	18,3–22,60
^241Plutoni	12,27–13,04	5,87–6,68	5,05–5,49
^242Plutoni	85,60	78,20	36,2–48,10
^241Americi	57,6–75,60	52,5–67,60	33,8–44,00
^242mAmerici	9–18,00	3,2–6,40	3–4,60	[6]
^243Americi	50–209,00	195,00	88–138,00	[6]
^242Curi	24,8–371,00	17–260,00	7–231,00
^243Curi	7,4–8,40	2,80	2,8–3,10
^244Curi	23,2–33,10	22,0–27,10	13,2–16,81
^245Curi	6,7–12,00	2,6–3,10	2,7–3,50	[8]
^246Curi	38,9–70,00	33,60	22–23,20	[8]
^247Curi	7,00	3,50	2,8–3,00	[8]
^248Curi	40,40	34,70	21,50
^250Curi	23,50	21,40	14,70
^247Berkeli	75,70	41,20	35,20
^249Berkeli	192,00	179,00	131,00
^249Californi	5,91	2,28	2,39
^250Californi	6,55	5,61	3,13
^251Californi	5,46–9,00	2,45	2,27	[9]
^252Californi	5,87	2,91	3,32
^254Californi	4,27	2,86	2,25
^254Einsteini	9,89	2,26	2,90

Chỉ dẫn

Tham khảo

1. McLaughlin, Thomas P.; Monahan, Shean P.; Pruvost, Norman L.; Frolov, Vladimir V.; Ryazanov, Boris G.; Sviridov, Victor I. (tháng 5 năm 2000). “A Review of Criticality Accidents” (PDF). Los Alamos, New Mexico: Los Alamos National Laboratory: 74–75. LA-13638. Truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2010.
2. Serber, Robert, The Los Alamos Primer: The First Lectures on How to Build an Atomic Bomb, (University of California Press, 1992) ISBN 0-520-07576-5 Original 1943 "LA-1", declassified in 1965, plus commentary and historical introduction
3. Laidler K.J., Chemical Kinetics (3rd ed., Harper & Row 1987) p.288-290 ISBN 0-06-043862-2
4. ^ Nuclear Weapons Design & Materials; Bản lưu trữ tại Wayback Machine
5. Bản lưu trữ tại Wayback Machine
6. ^ Separated Neptunium 237 and Americium (PDF; 32 kB)
7. Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238
8. ^ Hiroshi Okuno, Hiromitsu Kawasaki: Critical and Subcritical Mass Calculations of Curium-243 to -247 Based on JENDL-3.2 for Revision of ANSI/ANS-8.15; doi:10.1080/18811248.2002.9715296; Bản lưu trữ tại Wayback Machine
9. Neutron Weapon from Underground

Xem thêm

• Tai nạn tới hạn
• Phản ứng dây chuyền
• Vũ khí hạt nhân

Liên kết ngoài