Bedste svar
Lad os starte med nogle ord: kritiskhed henviser til evnen til en mængde af et fissilt materiale for at støtte den nukleare kædereaktion, hvor en neutron splitter et uranatom og frigiver mindst to eller flere neutroner for at fortsætte med at splitte andre atomer i materialet. Dette skal tage højde for tabet af neutroner i det ydre miljø, indfangning af neutroner af andre atomer, fangst i stedet for fission i materialerne og så videre. Når det sker, stiger den nukleare aktivitet i massen eksponentielt. Der er dog langsomme eksponentialer (som accelerationen af universet, der ekspanderer) og hurtige.
superkritisk – fissionsaktivitetsregimet, som i det mindste er kritisk, dvs. får aktivitet til at stige eksponentielt. Dette er det regime, hvor atomreaktorer kører.
hurtig kritisk – der er to måder, hvorpå neutroner produceres i en fissionshændelse. Der er hurtige neutroner, som frigøres ved fission og er tilgængelige til at forårsage fission inden for ca. 10 nanosekunder efter frigivelse; det er dem, du ser i de pæne animationer af fissionsprocessen. Den anden slags er skabt efter en forsinkelse (der involverer mellemliggende materialer, som jeg ikke behøver at gå ind i), som kan være alt fra en mikrosekund til snesevis af minutter. Hvis din reaktor sidder på knivkanten af kritik, vil det med at skubbe den lidt op forårsage den førnævnte eksponentielle stigning i fissionshændelser – summen af de hurtige neutroner plus de forsinkede neutroner er lige over det, der er nødvendigt for at holde processen fra at dø, og kurven stiger langsomt – langsomt nok til at være kontrollerbar af et menneske og kontrollerne. Efterhånden som aktiviteten bliver hurtigere, oprettes der hurtigere neutroner, hvilket gør de forsinkede neutroner mindre nødvendige for at understøtte kritik, og den eksponentielle kurve stiger hurtigere. Hurtig kritik finder sted på det punkt, hvor der slet ikke kræves forsinkede neutroner; stigningen i den eksponentielle kurve er i størrelsesordenen ti nanosekunder, hurtigere end mennesket eller computeren kan reagere på.
Det er overflødigt at sige, at fissionsbomber løber i og over punktet med hurtig kritik. De er designet, så materialet bliver så kritisk, at en generation af neutronproduktion sker hver 10. nanosekund, og 80 eller flere sådanne generationer kan forekomme, før eksplosionen forstyrrer materialet og spreder det til helvede og er væk. 800 nanosekunder fortalt, mindre end en mikrosekund.
Fysikerne har en måling for kritikken af en begivenhed. Kritisk kaldes 1 dollar; hurtig kritiskhed sker på 2 dollars. Kritikken inden for en fissionsbombe løber ind i $ 2 til $ 3 i løbet af det 1-mikrosekund lange interval, hvor fission sker. Derefter er resten bare naturen, der genopretter en ligevægtstilstand på den bedste måde hun ved hvordan.
Atomreaktorer opererer på den anden side mellem $ 1 og $ 2 og forbliver en god margin genert fra $ 2. Når de er op og håndterer en effektbelastning i steady state (normal drift), arbejder de faktisk inden for et interval på $ 0,95 og $ 1,05, når deres belastninger går op og ned.
Fordi en civil kraftreaktor bruger kun let beriget brændstof har den ikke evnen til at eksplodere som en bombe. Hvad det kan gøre, hvis det bliver hurtigkritisk, er at smelte reaktorkernen ned (i reaktorer med fast brændstof, såsom Tjernobyl # 4). U-238 fungerer som fyldstof og holder de fissionsbare U-235-atomer adskilt nok til at forhindre superkriticitet over en lav tærskel.
Så hurtig kriticitet er grænsen, som en fissionsbombe skal opfylde og overstige til at fungere i sin designede kapacitet. Hurtig kritik er et skilt på vejen mod eksplosionen.
Bemærk: Jeg fandt ud af, at mine tal for dollar-tal ovenfor var ude. Se diskussionen nedenfor for definitioner. Jeg har også korrigeret tallene ovenfor, så nu er alle enige.
Svar
Der er to typer neutroner afgivet på grund af fission.
Hurtige og forsinkede neutroner.
Hurtige neutroner er dem, der produceres af selve fissionerne og kan gå videre til at ramme andre atomer, der får mere fission til at forekomme.
forsinkede neutroner frigives som fissionsprodukter selv henfalder og frigiver flere neutroner.
KRITIKALITET er, når antallet af frigivede neutroner er nøjagtigt det antal, der er nødvendigt for at opretholde en reaktion, hvor i gennemsnit hver frigivet neutron vil forårsage en yderligere fissionshændelse. Dette er nøjagtigt ved K = 1
Hvis K er mindre end 1, er antallet af frigivede neutroner ikke selvbærende, og ikke hver neutron vil i gennemsnit forårsage en yderligere fissionshændelse. Nogle vil, men ikke alle, og reaktionen dør ud.
Det er kun forsinkelsen i frigivelsen af de forsinkede neutroner fra henfald snarere end de hurtige neutroner, der tillader en vis kontrol over e reaktionsproces. dette er nødvendigt for at kontrollere en atomreaktor.
Det er når K = 1 fra summen af begge typer, både prompt og forsinket … at en reaktion er stabil og kontrollerbar.
Når en reaktion bliver kritisk fra bare de hurtige neutroner alene uanset de forsinkede neutroner … det er hurtig kritisk, og kædereaktionen vokser eksponentielt med tiden langt hurtigere end mennesker eller endda computerstyret udstyr kan reagere. Det er ukontrollerbart og fører til katastrofe.
Dette er stadig ikke nok til at skabe en nuklear eksplosion. Det vil være en atomkatastrofe (tænk: Tjernobyl), men ikke en nuklear detonation.
Da reaktionsmassen bliver hurtig kritisk, er frigivelsen af energi langt hurtigere end endda splittelsen, der fordobler kædereaktionen. reaktionsmassen blæser sig fra hinanden, før massen fuldt ud kan forbruges af fissionskædereaktionen.
For at et atomvåben kan detonere, skal du gå superkritisk, hvor reaktionsmassen bringes kritisk og holdes der længe nok til, at hele massen gennemgår fission uden først at sprænge sig fra hinanden. Dette er det virkelige trick med atomvåbendesign. Hvordan man får en masse til at blive superkritisk uden forudbestemmelse som en fizzle.
Det er også derfor, at atomkraftværker ikke kan eksplodere som et atomvåben. Atomreaktorer KAN IKKE eksplodere som en atombombe, fordi de ikke er designet til at gøre det. Atombomber vil ikke detonere, de vil bare sprænge sig fra hinanden. de skal være specielt designet og tvunget til at gøre det ellers får du alt sammen som en fizzle.