Beste antwoord
Laten we beginnen met enkele woorden: kriticiteit verwijst naar het vermogen van een hoeveelheid splijtbaar materiaal ter ondersteuning van de nucleaire kettingreactie, waarbij een neutron een uraniumatoom splijt, waarbij ten minste twee of meer neutronen vrijkomen om door te gaan met het splijten van andere atomen in het materiaal. Hierbij moet rekening worden gehouden met het verlies van neutronen naar de buitenomgeving, het invangen van neutronen door andere atomen, het invangen in plaats van splijten in de materialen enzovoort. Wanneer dat gebeurt, neemt de nucleaire activiteit in de massa exponentieel toe. Er zijn echter langzame exponenten (zoals de versnelling van de uitdijing van het universum) en snelle.
superkritisch – het regime van splijtingsactiviteit dat op zijn minst kritisch is, dat wil zeggen, veroorzaakt dat de activiteit exponentieel toeneemt. Dit is het regime waarin kernreactoren draaien.
prompt kritiek – er zijn twee manieren waarop neutronen worden geproduceerd bij een splijtingsgebeurtenis. Er zijn snelle neutronen die worden vrijgemaakt door de splijting en beschikbaar zijn om splitsingen te veroorzaken binnen ongeveer 10 nanoseconden na het vrijkomen; dit zijn degenen die je ziet in de nette animaties van het splijtingsproces. De tweede soort wordt gemaakt met een vertraging (met tussenliggende materialen, waar ik niet op in hoef te gaan), wat kan variëren van een microseconde tot tientallen minuten. Als je reactor op de rand van kritiek staat, dan zal het een beetje omhoog duwen de eerder genoemde exponentiële toename van splijtingsgebeurtenissen veroorzaken – de som van de snelle neutronen plus de vertraagde neutronen is net boven wat nodig is om de proces van sterven, en de curve stijgt langzaam – langzaam genoeg om bestuurbaar te zijn door een mens en de controles. Naarmate de activiteit sneller wordt, worden er meer snelle neutronen gecreëerd, waardoor de vertraagde neutronen minder nodig zijn om de kritikaliteit te ondersteunen, en de exponentiële curve stijgt sneller. Onmiddellijke kritikaliteit vindt plaats op het punt waar helemaal geen vertraagde neutronen nodig zijn; de stijging van de exponentiële curve is in de orde van tientallen nanoseconden, sneller dan de mens of computer kan reageren.
Onnodig te zeggen dat kernsplijtingsbommen in en boven het punt van onmiddellijke kritiek lopen. Ze zijn zo ontworpen dat het materiaal zo kritisch wordt dat een generatie van neutronenproductie elke 10 nanoseconden plaatsvindt, en 80 of meer van dergelijke generaties kunnen plaatsvinden voordat de explosie het materiaal verstoort, het naar de hel verspreidt en weg is. Alles bij elkaar 800 nanoseconden, minder dan een microseconde.
De natuurkundigen hebben een maat voor de kriticiteit van een gebeurtenis. Critical heet 1 dollar; snelle kritiek gebeurt op 2 dollar. De kritiek binnen een splijtingsbom loopt in de $ 2 tot $ 3 tijdens het interval van 1 microseconde waarin splijting plaatsvindt. Daarna is de rest gewoon de natuur die een evenwichtstoestand herstelt op de beste manier die ze kent.
Kernreactoren daarentegen opereren tussen $ 1 en $ 2, en blijven een goede marge schuwen van $ 2. In feite, wanneer ze in een stabiele toestand staan en een stroombelasting verwerken (normale werking), werken ze binnen een bereik van $ 0,95 en $ 1,05 terwijl hun belastingen op en neer gaan.
Omdat een civiele elektriciteitsreactor gebruikt slechts licht verrijkte brandstof heeft het niet het vermogen om te exploderen als een bom. Wat het kan doen, als het snel kritisch wordt, is het omsmelten van de reactorkern (in reactoren met vaste brandstof, zoals Tsjernobyl # 4). De U-238 fungeert als een vulmiddel en houdt de splijtbare U-235-atomen voldoende gescheiden om superkritiek boven een lage drempel te voorkomen.
Dus snelle kriticiteit is de limiet waaraan een splijtingsbom moet voldoen en die deze moet overschrijden om te opereren in zijn ontworpen capaciteit. Onmiddellijke kritiek is een wegwijzer op het pad naar de explosie.
Opmerking: ik ontdekte dat mijn cijfers voor bovenstaande dollarcijfers niet klopten. Zie de onderstaande discussie voor definities. Ik heb de bovenstaande cijfers ook gecorrigeerd, dus nu zijn ze het allemaal eens.
Antwoord
Er zijn twee soorten neutronen die vrijkomen als gevolg van splijting.
Snelle en vertraagde neutronen.
Snelle neutronen zijn die geproduceerd door de kernsplijting zelf en kunnen verder gaan om andere atomen te treffen, waardoor er meer splijting plaatsvindt.
vertraagde neutronen worden vrijgegeven als de splijtingsproducten zelf vervallen, waardoor meer neutronen vrijkomen.
KRITIEK is wanneer het aantal vrijgekomen neutronen precies het aantal is dat nodig is om een reactie te ondersteunen waarbij gemiddeld elk vrijgekomen neutron één extra splijtingsgebeurtenis veroorzaakt. Dit is precies op K = 1
Als K kleiner is dan 1, dan is het aantal vrijgekomen neutronen niet zelfvoorzienend en zal niet elk neutron gemiddeld een bijkomende splijtingsgebeurtenis veroorzaken, sommige wel, maar niet alle en de reactie sterft uit.
Het is alleen de vertraging bij het vrijkomen van de vertraagde neutronen uit verval, in plaats van de snelle neutronen, die een zekere mate van controle over de Het reactieproces. dit is nodig om een kernreactor aan te sturen.
Het is wanneer K = 1 uit de som van beide typen, zowel de prompt als de vertraagde … dat een reactie stabiel en controleerbaar is.
Wanneer een reactie kritiek wordt vanaf de snelle neutronen alleen, ongeacht de vertraagde neutronen… dat is snel kritiek en de kettingreactie groeit exponentieel met de tijd veel sneller dan mensen of zelfs computergestuurde apparatuur kan reageren. Het is oncontroleerbaar en leidt tot een ramp.
Dit is nog steeds niet genoeg om een nucleaire explosie te veroorzaken. Het zal een nucleaire ramp zijn (denk aan Tsjernobyl), maar geen nucleaire ontploffing.
Aangezien de reactiemassa direct kritisch wordt, is de energie-afgifte veel sneller dan zelfs de splijtingsverdubbeling van de kettingreactie. de reactiemassa blaast zichzelf uit elkaar voordat de massa volledig kan worden verteerd door de splijtingskettingreactie.
Om een kernwapen te laten ontploffen, moet je naar Superkritisch gaan, waar de reactiemassa kritisch wordt gemaakt en daar wordt gehouden lang genoeg om de hele massa te laten splijten zonder zichzelf eerst uit elkaar te blazen. Dit is de echte truc van het ontwerpen van kernwapens. Hoe een massa superkritisch te krijgen zonder predetonatie als een fizzle.
Het is ook waarom kerncentrales niet kunnen exploderen als een kernwapen. Kernreactoren KUNNEN NIET ontploffen als een atoombom, omdat ze daar niet voor ontworpen zijn. Nucleaire bommen willen niet ontploffen, ze willen zichzelf gewoon uit elkaar blazen. ze moeten speciaal ontworpen en gedwongen zijn om dat te doen, anders krijg je alleen maar een sisser.