基本介紹
- 中文名：超臨界質量
- 外文名：supercritical mass
- 領域：核物理
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臨界質量
臨界質量（Critical mass）是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量。不同的可裂變材料，受核子的性質（如裂變橫切面）、物理性質、物料型狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等等因素影響，而會有不同的臨界質量。
剛好可以產生連鎖反應的組合，稱為已達臨界點。比這樣更多質量的組合，核反應的速率會以指數增長，稱為超臨界。如果組合能夠在沒有延遲放出中子之下進行連鎖反應，這種臨界被稱為即發臨界，是超臨界的一種。即發臨界組合會產生核爆炸。如果組合比臨界點小，裂變會隨時間減少，稱之為次臨界。
球狀的臨界質量
能夠以最少的物料到達臨界質量的形狀是球形。如果在四周加以中子反射物料，臨界質量可以更少。有中子反射的球形鈾-235臨界點為15公斤左右。鈽則為10公斤左右。
以下為普通球形，沒有中子反射之下的臨界質量：
| 同位素 | 半衰期 （年） | 臨界質量 （kg） | 臨界直徑 （cm） |
|---|---|---|---|
鈽-238 | 87.7 | 9.04–10.07 | 9.5–9.9 |
鈽-239 | 24,110 | 10 | 9.9 |
鈽-240 | 6561 | 40 | 15 |
鈽-241 | 14.3 | 12 | 10.5 |
鈽-242 | 375,000 | 75–100 | 19–21 |
鈾-233 | 159,200 | 15 | 11 |
鈾-235 | 704,000,000 | 52 | 17 |
鐦-249 | 351 | 6 | 9 |
鐦-251 | 290 | 5 | 8.5 |
鐦-252 | 2.6 | 2.73 | 6.9 |
鋦-243 | 29.1 | 7.34–10 | 10–11 |
鋦-244 | 18.1 | 13.5–30 | 12.4–16 |
鋦-245 | 8500 | 9.41–12.3 | 11–12 |
鋦-246 | 4760 | 39–70.1 | 18–21 |
鋦-247 | 15,600,000 | 6.94–7.06 | 9.9 |
錇-247 | 1380 | 75.7 | 11.8-12.2 |
鎇-241 | 432.2 | 55–77 | 20–23 |
鎇-242 | 141 | 9–14 | 11–13 |
鎇-243 | 7370 | 180–280 | 30–35 |
鎿-236 | 154,000 | 7 | 8.7 |
鎿-237 | 2,144,000 | 60 | 18 |
純度較低的鈾，臨界質量會有所增加。例如20%的鈾-235，以4 cm厚的鈹反射中子臨界質量達400公斤。若如果純度只為15%，臨界質量更高達600公斤。
武器
臨界事故
臨界事故（英語：criticality accident）是核反應堆發生鏈式反應導致功率失常激增引起的事故。事故中濃縮鈾或鈽等裂變材料中的鏈式反應能產生強烈的中子輻射，對人類傷害極大，並且會在周圍環境中引發感生放射性。臨界或超臨界核裂變一般發生在反應堆堆芯內部或實驗中。
雖然臨界事故危害較大，但是它一般達不到核子彈的設計條件，因此一般不會引發核爆炸。核反應產生的熱量可能會讓核材料膨脹，因此幾秒之後材料又將處於亞臨界狀態，反應停止。在原子能的發展歷程中，在反應堆外收集核裂變材料的時候曾經發生過60次臨界事故，其中一些事故導致離事發地點較近的人員因接受了過量的輻射而死亡。不過，沒有一起事故引起過爆炸。
事故原因
把鈾或鈽的單質、化合物或溶液混合起來，就有可能引發臨界事故。決定混合物是否達到臨界點（即是否發生臨界反應）的因素包括：同位素的比例；材料的形狀；溶液的化學組成；化合物或合金的類別；複合材料和周圍材料。 預測材料達到臨界狀態的可能性的計算較複雜，因此民用和軍用核設施都需要專人監控，以避免發生臨界反應。
事故類型
臨界事故大致可分為兩類。
- 操作事故，操作中所有的預防措施都失效的時候就會發生。
- 反應堆事故，反應堆失去控制，達到臨界條件。根據反應的發展過程，可以把事故分為四個類型：
- 瞬間發生，迅速達到臨界條件的事故；
- 只在短時間達到臨界條件的事故；
- 潛在事故；
- 穩定發展的事故。
