Bästa svaret
Låt oss börja med några ord: kriticitet avser förmågan hos en mängd av ett klyvbart material för att stödja kärnkedjereaktionen, där en neutron splittrar en uranatom och släpper ut minst två eller flera neutroner för att fortsätta klyva andra atomer i materialet. Detta måste ta hänsyn till förlusterna av neutroner i den yttre miljön, fånga neutroner av andra atomer, fånga istället för klyvning i materialen och så vidare. När det händer ökar kärnaktiviteten i massan exponentiellt. Det finns emellertid långsamma exponentiella (som accelerationen av universum som expanderar) och snabba.
superkritiska – regimen för klyvningsaktivitet som åtminstone är kritisk, det vill säga orsakar att aktiviteten ökar exponentiellt. Detta är den regim som kärnreaktorer kör i.
snabbt kritiskt – det finns två sätt på vilka neutroner produceras i en fissionshändelse. Det finns snabba neutroner som frigörs av klyvningen och är tillgängliga för att orsaka klyvningar inom cirka 10 nanosekunder efter frisättning; det här är de du ser i de snygga animationerna av klyvningsprocessen. Den andra typen skapas efter en fördröjning (med mellanliggande material, som jag inte behöver gå in på) som kan vara allt från mikrosekunder till tiotals minuter. Om din reaktor sitter på knivens kant av kritik, kommer att knuffa den bara uppåt orsaka den ovannämnda exponentiella ökningen av klyvningshändelser – summan av de snabba neutronerna plus de fördröjda neutronerna är precis ovanför vad som behövs för att hålla processen från att dö, och kurvan stiger långsamt – långsamt nog för att kunna kontrolleras av en människa och kontrollerna. När aktiviteten blir snabbare skapas snabbare neutroner, vilket gör de fördröjda neutronerna mindre nödvändiga för att stödja kritik, och den exponentiella kurvan stiger snabbare. Snabb kritik äger rum vid den punkt där inga fördröjda neutroner alls krävs; ökningen av den exponentiella kurvan är i storleksordningen tiotals nanosekunder, snabbare än människan eller datorn kan reagera på. De är utformade så att materialet blir så kritiskt att en generation av neutronproduktion sker var tionde nanosekund, och 80 eller fler sådana generationer kan inträffa innan explosionen stör materialet och sprider det till helvetet och är borta. 800 nanosekunder berättade alla, mindre än en mikrosekund.
Fysikerna har ett mått på hur kritiskt en händelse är. Kritisk kallas 1 dollar; snabb kritik händer vid 2 dollar. Kritiken inom en fissionsbomb löper till $ 2 till $ 3 under det 1-mikrosekund långa intervall där fission sker. Efter det är resten bara naturen som återupprättar ett jämviktstillstånd på bästa sätt som hon vet hur.
Kärnreaktorer arbetar å andra sidan mellan $ 1 och $ 2 och förblir en bra marginal blyg från $ 2. I själva verket, när de är uppe och hanterar en effektbelastning i steady state (normal drift), arbetar de inom ett intervall av $ 0,95 och $ 1,05 när deras laster går upp och ner. bara lätt anrikat bränsle har det inte förmågan att explodera som en bomb. Vad den kan göra, om det blir snabbkritiskt, är att smälta ned reaktorkärnan (i fastbränslereaktorer, såsom Tjernobyl # 4). U-238 fungerar som ett fyllmedel och håller de klyvbara U-235-atomerna åtskilda tillräckligt för att förhindra superkritik över ett lågt tröskelvärde.
Så snabb kritik är gränsen som en fissionsbom måste uppfylla och överstiga att fungera i sin designade kapacitet. Snabb kritik är en vägvisare på vägen mot explosionen.
Obs: Jag tyckte att mina siffror för dollarsiffror ovan var avstängda. Se diskussionen nedan för definitioner. Jag har också korrigerat siffrorna ovan så nu är alla överens.
Svar
Det finns två typer av neutroner som avges på grund av klyvning.
Snabba och fördröjda neutroner.
Snabba neutroner är de som produceras av själva klyvningen och kan gå vidare till andra atomer som orsakar mer klyvning.
Fördröjda neutroner frigörs när klyvningsprodukterna själva sönderfaller, släpper ut fler neutroner.
KRITIKALITET är när antalet frigjorda neutroner är exakt det antal som behövs för att upprätthålla en reaktion där i genomsnitt varje frigjord neutron kommer att orsaka ytterligare en fissionshändelse. Detta är exakt vid K = 1
Om K är mindre än 1, så är antalet frigjorda neutroner inte självbärande och inte varje neutron kommer i genomsnitt att orsaka en ytterligare fissionshändelse. Vissa kommer, men inte alla, och reaktionen dör ut.
Det är bara förseningen med att frigöra de fördröjda neutronerna från förfall, snarare än de snabba neutronerna, som möjliggör en viss kontroll över reaktionsprocessen. detta är nödvändigt för att kontrollera en kärnreaktor.
Det är när K = 1 från summan av båda typerna, såväl prompten som den fördröjda … att en reaktion är stabil och kontrollerbar.
När en reaktion blir kritisk från bara De snabba neutronerna ensamma oavsett de fördröjda neutronerna … det är snabbt kritiskt och kedjereaktionen växer exponentiellt med tiden mycket snabbare än människor eller ens datorstyrd utrustning kan reagera. Det är okontrollerbart och leder till katastrof.
Detta räcker fortfarande inte för att skapa en kärnkraftsexplosion. Det kommer att vara en kärnkraftskatastrof (Tänk: Tjernobyl), men inte en kärnkraftsdetonation.
Eftersom reaktionsmassan blir snabb kritisk är energifrigörelsen mycket snabbare än till och med klyvningsfördubbling av kedjereaktionen. reaktionsmassan blåser sig isär innan massan helt kan konsumeras av klyvningskedjereaktionen.
För att ett kärnvapen ska detonera måste du gå superkritisk, där reaktionsmassan bringas kritisk och hålls där tillräckligt länge för att hela massan ska genomgå klyvning utan att först spränga isär. Detta är det verkliga tricket med kärnvapendesign. Hur man får en massa att gå superkritisk utan förutbestämning som en fizzle.
Det är också därför kärnkraftverk inte kan explodera som ett kärnvapen. Kärnreaktorer KAN INTE explodera som en kärnbomb eftersom de inte är utformade för att göra det. Kärnbomber vill inte detonera, de vill bara spränga isär. de måste utformas speciellt och tvingas göra det annars får du allt som en krusning.