La massa critica di materiale fissile è la massa minima di materiale sufficiente per innescare una reazione a catena di fissione nucleare (vedi anche: fissione nucleare ).
Dipende dalle proprietà nucleari del materiale considerato ( sezione d'urto di fissione e numero di neutroni prodotti dalla fissione), ma anche dalle sue proprietà fisiche (in particolare dalla sua densità ), dalla sua forma e dalla sua purezza .
Infatti, un materiale fissile è un materiale che contiene atomi pesanti ( es: uranio 235 ) che si rompono (fissione) sotto l'impatto di un neutrone. Il risultato di questa fissione è costituito da prodotti di fissione residui, energia (principalmente termica) e l'emissione di due o tre nuovi neutroni, che a loro volta romperanno altri nuclei, ecc., Da cui il termine "reazione a catena".
Tuttavia, questo processo è teorico. In poche parole, non tutti i neutroni vengono assorbiti da un nucleo fissile: alcuni vengono assorbiti dalle impurità, altri lasciano il materiale senza aver incontrato un nucleo da rompere.
Pertanto, variando le dimensioni, la densità, la purezza del materiale, la forma stessa, sarà efficace una proporzione maggiore di neutroni. Per una quantità minima di materiale può iniziare la reazione a catena, chiamata "massa critica".
Circondando il materiale fissile con un riflettore di neutroni si favorisce la fissione, che diminuisce la quantità necessaria per innescare la reazione; d'altra parte, la presenza di un assorbitore di neutroni all'interno del materiale fissile provoca l'effetto opposto.
Masse critiche di alcuni isotopi fissili in configurazione sferica e ad una data densità:
Isotopo | Massa critica (kg) |
Emivita (anni) |
Calore di fissione (W / kg) |
Produzione di neutroni (neutroni / kg / s) |
---|---|---|---|---|
Uranio 233 | 16 | 160.000 | 0.28 | 1.2 |
Uranio 235 | 48 | 700.000.000 | 0.00006 | 0.36 |
Nettunio 237 | 59 | 2.100.000 | 0.021 | 0.14 |
Plutonio 238 | 10 | 88 | 560 | 2.700.000 |
Plutonio 239 | 10 | 24.000 | 2.0 | 22 |
Plutonio 240 | 37 | 6.600 | 7 | 1.000.000 |
Plutonio 241 | 13 | 14 | 6.4 | 49 |
Plutonio 242 | 89 | 380.000 | 0.12 | 1.700.000 |
Americio 241 | 57 | 430 | 110 | 1.500 |
L' AIEA definisce "quantità significativa" di materiale fissile come la quantità di materiale necessaria per realizzare una bomba a implosione di prima generazione, come la bomba di Nagasaki. Le quantità significative trattenute dall'AIEA sono 8 kg di plutonio e 25 kg di U 235 sotto forma di uranio altamente arricchito (tenendo conto delle perdite di produzione). Tuttavia, gli Stati Uniti hanno reso pubblico che 4 kg di plutonio sono sufficienti per realizzare un ordigno esplosivo nucleare. A parità di rapporto di massa critica, una quantità tre volte maggiore (dell'ordine di 12 kg ) di HEU sarebbe sufficiente per una macchina di questa tecnologia.