มวลวิกฤต

มวลวิกฤต (อังกฤษ: critical mass) คือค่าที่น้อยที่สุดของวัสดุฟิสไซล์ต้องการเพื่อคงปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ กล่าวคือจะมีอนุภาคนิวตรอนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละครั้งอย่างน้อย 1 ตัว ไปชนกับอีกนิวเคลียสหนึ่งทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อไป มวลวิกฤตของวัสดุฟิชชันได้ขึ้นกับคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ (เช่น พื้นที่หน้าตัดสำรับการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์) ความหนาแน่น รูปทรง กระบวนการแยกไอโซโทป ความบริสุทธิ์ อุณหภูมิ และสภาพแวดล้อม

คำอธิบาย

คำว่าวิกฤตอ้างถึงสภาวะสมดุลปฏิกิริยาฟิชชัน (สถานะคงตัว หรือ ปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่อง); ซึ่งไม่มีการเพิ่มขึ้นหรือลดลงในพลังงาน, อุณหภูมิ, หรือจำนวนนิวตรอน

ค่าที่วัดได้ของมวลวิกฤตขึ้นอยู่กับตัวประกอบการคูณนิวตรอน, k :

k = f − l

เมื่อ f เป็นค่าเฉลี่ยของนิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมาต่อการฟิชชัน และ l คือค่าเฉลี่ยของนิวตรอนที่สูญเสียโดยหลุดออกจากระบบหรือถูกจับยึดในกรณีไม่ใช่ฟิชชัน เมื่อ k = 1 จะเป็นมวลจะเป็นมวลวิกฤต

มวลใต้วิกฤต (subcritical) คือมวลของวัสดุฟิสไซล์ที่ไม่มีความสามารถที่จะคงปฏิกิริยาฟิชชัน เนื่องจากเมื่อเกิดฟิชชั่นจะมีการสูญเสียอนุภาคนิวตรอนไปเป็นจำนวนมาก จนกระทั่งปฏิกิริยาไม่สามารถจะเกิดอย่างต่อเนื่องได้ จำนวนนิวตรอนที่นำไปสู่การรวมตัวใต้วิกฤตจะลดลงอย่างรวดเร็ว ในกรณีนี้ k < 1 ระดับคงตัวของการฟิชชันตามธรรมชาติทำให้เกิดระดับสัดส่วนคงที่ของกัมมันตภาพนิวตรอน ค่าคงที่ของสัดส่วนการเพิ่มขึ้นเพิ่มตามการเพิ่มขึ้นของค่า k

มวลเหนือวิกฤต (supercritical) หรือ มวลวิกฤตยิ่งยวด คือ มวลของวัสดุฟิสไซล์ซึ่งอนุภาคนิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันมากกว่า 1 ตัว สามารถชนนิวเคลียสอื่นทำให้เกิดปฏิกิริยาแตกตัวต่อไปได้ ดังนั้นปฏิกิริยาลูกโซ่จะเกิดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว วัสดุอาจเข้าสู่สมดุล (กล่าวคือ เกิดวิกฤตอีกครั้ง) ที่ระดับอุณหภูมิ/พลังงานยกสูงขึ้นหรือทำลายตัวเอง (การแตกตัวคือสภาวะสมดุล) ในกรณีเหนือวิกฤต k > 1