Nel regno subatomico governato dalle regole della meccanica quantistica, un processo chiamato fissione fornisce la fonte fondamentale di energia sia per le bombe atomiche che per i reattori nucleari. Ciò che separa questi due risultati estremamente diversi - uno violento, l'altro controllato - è il concetto di massa critica, una linea di divisione immaginaria che determina se una reazione nucleare è lenta e prolungata o rapida e di breve durata.
Fissione atomica
Gli atomi di elementi instabili come l'uranio e il plutonio si dividono in coppie di elementi più leggeri quando subiscono un decadimento radioattivo, un processo chiamato fissione. Ad esempio, l'uranio-235 può dividersi in krypton-89 e bario-144, una fissione che emette anche due neutroni rimanenti. Gli elementi più leggeri possono anche essere instabili, continuando come una catena di decadimento radioattivo che può includere una dozzina o più di elementi e richiedere milioni di anni per essere completato.
Reazioni a catena e possibilità
Un nucleo di uranio si divide in due più leggeri elementi quando assorbe un neutrone vagante; il neutrone destabilizza il nucleo, aumentando la probabilità di subire una fissione. Poiché una fissione produce neutroni liberi, possono colpire gli atomi vicini, causandone anche la divisione, creando una reazione a catena di eventi di fissione. Poiché le reazioni nucleari sono di natura meccanica quantistica, sono governate da probabilità e probabilità. Quando è meno probabile che si verifichino reazioni a catena, si estinguono, poiché sempre meno neutroni innescano fissioni successive. Quando le circostanze favoriscono le reazioni a catena, le fissioni continuano in modo costante. E quando le fissioni sono molto probabili, le reazioni a catena accelerano, dividendo un numero in rapido aumento di atomi e rilasciando la loro energia.
Critical Mass
La probabilità di fissioni e reazioni a catena dipende in parte dalla massa del radioattivo materiale coinvolto. In un punto chiamato massa critica, le reazioni a catena sono in gran parte autosufficienti ma non in aumento. Ogni elemento radioattivo ha una massa critica specifica per una sfera della sostanza; ad esempio, la massa critica di uranio-235 è di 56 kg, mentre sono necessari solo 11 kg di plutonio-239. Gli scienziati che mantengono scorte di materiali radioattivi li immagazzinano in modo tale che tali quantità non avvengano mai nelle stesse vicinanze generali; altrimenti, possono produrre esplosioni violente di radiazioni letali.
Massa subcritica e supercritica
Per una forma sferica di sostanza radioattiva, aumentando la massa aumenta il numero di neutroni emessi in un dato momento e la probabilità che le fissioni portano a reazioni a catena. Le quantità inferiori a una massa critica di un elemento radioattivo hanno reazioni a catena ma hanno maggiori probabilità di estinguersi che continuare. Oltre la massa critica, il tasso di fissioni aumenta, portando a una situazione pericolosa e fuori controllo. Le centrali nucleari utilizzano quantità subcritiche di elementi radioattivi - abbastanza per produrre generose quantità di energia ma che, per motivi di sicurezza, non possono mai provocare un'esplosione nucleare. Le bombe atomiche, al contrario, usano una quantità di materiali molto più vicina a una massa critica. Una bomba atomica rimane subcritica fino a quando non viene innescata da un'esplosione di neutroni e schiacciata da un'esplosione di esplosivi convenzionali. Gli esplosivi fanno diventare il materiale momentaneamente supercritico; le reazioni a catena diventano fuori controllo in pochi milionesimi di secondo, rilasciando l'equivalente energetico di decine di migliaia di tonnellate di TNT.
