Masa kritike në fizikën bërthamore. Sulmi bërthamor: masa kritike e një ngarkese bërthamore. top futbolli plutonium

Kanë kaluar pak më shumë se dy muaj nga përfundimi i luftës më të tmerrshme në historinë e njerëzimit. Dhe kështu, më 16 korrik 1945, bomba e parë bërthamore u testua nga ushtria amerikane dhe një muaj më vonë, mijëra banorë të qyteteve japoneze vdesin në ferrin atomik. Që atëherë, armët, si dhe mjetet e dërgimit të tyre në objektiva, janë përmirësuar vazhdimisht për më shumë se gjysmë shekulli.

Ushtria dëshironte të kishte në dispozicion si municion super të fuqishëm, duke fshirë qytete dhe vende të tëra nga harta me një goditje, dhe ato ultra të vogla që futeshin në një çantë. Një pajisje e tillë do ta sillte luftën sabotuese në një nivel të paparë. Si me të parën ashtu edhe me të dytin kishte vështirësi të pakapërcyeshme. Arsyeja për këtë është e ashtuquajtura masë kritike. Megjithatë, gjërat e para së pari.

Një bërthamë e tillë shpërthyese

Për të kuptuar rendin e funksionimit të pajisjeve bërthamore dhe për të kuptuar atë që quhet masa kritike, le të kthehemi në tavolinë për pak kohë. Nga kursi i fizikës shkollore, kujtojmë një rregull të thjeshtë: ngarkesat me të njëjtin emër sprapsin njëra-tjetrën. Aty, brenda gjimnaz nxënësve u tregohet struktura e bërthamës atomike, e përbërë nga neutrone, grimca neutrale dhe protone të ngarkuar pozitivisht. Por si është e mundur kjo? Grimcat e ngarkuara pozitivisht janë aq afër njëra-tjetrës saqë forcat refuzuese duhet të jenë kolosale.

Shkenca nuk e kupton plotësisht natyrën e forcave intranukleare që mbajnë protonet së bashku, megjithëse vetitë e këtyre forcave janë studiuar mjaft mirë. Forcat veprojnë vetëm në një distancë shumë të afërt. Por sapo protonet ndahen edhe pak në hapësirë, forcat refuzuese fillojnë të mbizotërojnë dhe bërthama copëtohet. Dhe fuqia e një zgjerimi të tillë është vërtet kolosale. Dihet se forca e një mashkulli të rritur nuk do të mjaftonte për të mbajtur protonet e vetëm një bërthame të vetme të atomit të plumbit.

Nga se kishte frikë Rutherford?

Bërthamat e shumicës së elementeve të tabelës periodike janë të qëndrueshme. Megjithatë, me rritjen e numrit atomik, kjo qëndrueshmëri zvogëlohet. Bëhet fjalë për madhësinë e bërthamave. Imagjinoni bërthamën e një atomi të uraniumit, i përbërë nga 238 nuklide, nga të cilat 92 janë protone. Po, protonet janë në kontakt të ngushtë me njëri-tjetrin dhe forcat intranukleare çimentojnë në mënyrë të sigurt të gjithë strukturën. Por forca refuzuese e protoneve të vendosura në skajet e kundërta të bërthamës bëhet e dukshme.

Çfarë bëri Rutherford? Ai bombardoi atomet me neutrone (një elektron nuk do të kalojë nëpër shtresën elektronike të një atomi, dhe një proton i ngarkuar pozitivisht nuk do të jetë në gjendje t'i afrohet bërthamës për shkak të forcave refuzuese). Një neutron që hyn në bërthamën e një atomi shkakton ndarjen e tij. Dy gjysma të veçanta dhe dy ose tre neutrone të lira u ndanë.

Ky zbërthim, për shkak të shpejtësive të mëdha të grimcave fluturuese, u shoqërua me çlirimin e energjisë së madhe. Kishte një thashetheme që Rutherford madje donte të fshihte zbulimin e tij, nga frika e pasojave të tij të mundshme për njerëzimin, por me shumë mundësi kjo nuk është asgjë më shumë se një përrallë.

Pra, çfarë ka të bëjë masa me të dhe pse është kritike

Edhe çfarë? Si mund të rrezatohet mjaftueshëm metal radioaktiv me një rrymë protonesh për të prodhuar një shpërthim të fuqishëm? Dhe çfarë është masa kritike? Bëhet fjalë për ato pak elektrone të lira që fluturojnë nga bërthama atomike e "bombarduar", ata, nga ana tjetër, duke u përplasur me bërthama të tjera, do të shkaktojnë ndarjen e tyre. E ashtuquajtura do të fillojë, por do të jetë jashtëzakonisht e vështirë për ta nisur atë.

Le të përsosim shkallën. Nëse marrim një mollë në tryezën tonë si bërthamën e një atomi, atëherë për të imagjinuar bërthamën e një atomi fqinj, e njëjta mollë do të duhet të bartet dhe të vendoset në tryezë as në dhomën tjetër, por .. në shtëpinë tjetër. Neutroni do të jetë sa një gropë qershie.

Në mënyrë që neutronet e emetuara të mos fluturojnë më kot jashtë shufrës së uraniumit dhe më shumë se 50% e tyre do të gjenin objektivin e tyre në formën e bërthamave atomike, kjo shufër duhet të ketë dimensionet e duhura. Kjo është ajo që quhet masa kritike e uraniumit - masa në të cilën më shumë se gjysma e neutroneve të emetuara përplasen me bërthamat e tjera.

Në fakt, kjo ndodh në një çast. Numri i bërthamave të ndara rritet si një ortek, fragmentet e tyre nxitojnë në të gjitha drejtimet me shpejtësi të krahasueshme me shpejtësinë e dritës, duke shqyer ajrin e hapur, ujin dhe çdo medium tjetër. Nga përplasjet e tyre me molekulat mjedisi zona e shpërthimit nxehet në çast deri në miliona gradë, duke rrezatuar nxehtësi që djeg gjithçka në një lagje prej disa kilometrash.

Ajri me nxehtësi të fortë rritet menjëherë në madhësi, duke krijuar një valë të fuqishme goditëse që rrëzon ndërtesat nga themelet, përmbys dhe shkatërron gjithçka në rrugën e saj ... e tillë është fotografia e një shpërthimi atomik.

Si duket në praktikë

Pajisja e bombës atomike është çuditërisht e thjeshtë. Ka dy shufra uraniumi (ose një tjetër, masa e secilës prej të cilave është pak më e vogël se ajo kritike. Njëra prej shufrave është bërë në formën e një koni, tjetra është bërë në formën e një topi me një kon. -vrima në formë. Siç mund ta merrni me mend, kur kombinoni të dyja gjysmat, merrni një top që arrin masën kritike. Kjo është bomba bërthamore më e thjeshtë standarde Dy gjysma janë të lidhura duke përdorur një ngarkesë konvencionale TNT (koni qëllohet në një top) .

Por mos mendoni se një pajisje e tillë mund të montohet "në gju" nga kushdo. E gjithë mashtrimi është se uraniumi, në mënyrë që një bombë të shpërthejë prej tij, duhet të jetë shumë i pastër, prania e papastërtive është praktikisht zero.

Pse nuk ka bombë atomike sa një paketë cigaresh

Të gjitha për të njëjtën arsye. Masa kritike e izotopit më të zakonshëm të uraniumit 235 është rreth 45 kg. Shpërthimi i një sasie të tillë karburanti bërthamor është tashmë një fatkeqësi. Dhe është e pamundur të bëhet me një sasi më të vogël të një substance - thjesht nuk do të funksionojë.

Për të njëjtën arsye, nuk ishte e mundur të krijoheshin ngarkesa atomike super të fuqishme nga uraniumi ose metale të tjera radioaktive. Në mënyrë që bomba të ishte shumë e fuqishme, ajo ishte bërë nga një duzinë shufra, të cilat, kur shpërthyen ngarkesat shpërthyese, nxituan në qendër, duke u lidhur si feta portokalli.

Por çfarë ndodhi në të vërtetë? Nëse, për ndonjë arsye, dy elementë takoheshin një të mijtën e sekondës më herët se të tjerët, masa kritike arrihej më shpejt se pjesa tjetër do të "mbërrinte në kohë", shpërthimi nuk ishte i fuqisë që prisnin projektuesit. Problemi i armëve bërthamore super të fuqishme u zgjidh vetëm me ardhjen e armëve termonukleare. Por kjo është një histori paksa e ndryshme.

Si funksionon një atom paqësor?

Një termocentral bërthamor është në thelb e njëjta bombë bërthamore. Vetëm kjo "bombë" ka shufra karburanti (elemente karburanti) të bërë nga uraniumi të vendosura në një distancë nga njëri-tjetri, gjë që nuk i pengon ata të shkëmbejnë "goditjet" neutronike.

Shufrat e karburantit bëhen në formën e shufrave, midis të cilave ka shufra kontrolli të bëra nga një material që thith mirë neutronet. Parimi i funksionimit është i thjeshtë:

• shufrat rregulluese (thithëse) futen në hapësirën midis shufrave të uraniumit - reagimi ngadalësohet ose ndalet krejtësisht;
• shufrat e kontrollit hiqen nga zona - elementët radioaktivë shkëmbejnë në mënyrë aktive neutronet, reagimi bërthamor vazhdon më intensivisht.

Në të vërtetë, rezulton e njëjta gjë Bombë atomike, në të cilin masa kritike arrihet aq mirë dhe rregullohet aq qartë sa nuk çon në shpërthim, por vetëm në ngrohjen e ftohësit.

Edhe pse, për fat të keq, siç tregon praktika, jo gjithmonë gjeniu njerëzor është në gjendje të frenojë këtë energji të madhe dhe shkatërruese - energjinë e prishjes së bërthamës atomike.

Sa më të mëdha të jenë dimensionet (rrjedhja kalon vetëm nëpër sipërfaqe) e reaktorit dhe sa më afër të jetë forma e bërthamës së reaktorit me një sferë, aq më e vogël (ceteris paribus) rrjedhja dhe aq më i lartë është R.

Për një reaksion zinxhir k eff =P∙k ∞ =1

Kjo arrihet në një madhësi të caktuar min të reaktorit, e cila quhet madhësia kritike e reaktorit.

Dhe masa më e vogël e karburantit bërthamor që përmbahet në bërthamën e reaktorit me një madhësi kritike, në të cilën mund të ndodhë një reaksion zinxhir i ndarjes së karburantit, quhet masa kritike. Vlera e saj varet nga një numër faktorësh:

1).shkalla e pasurimit të karburantit;

2) sasia dhe vetitë bërthamore të materialeve moderatore dhe strukturore;

3).Reflektori efektiv.

Përdorimi i pasurimit dhe bën të mundur zvogëlimin e madhësisë së masës kritike dhe të reaktorit (pasurimi i uraniumit me izotopin U 235 >5% nuk ​​jep një rritje të ndjeshme të bilancit të neutronit).

Masa kritike dhe dimensionet e bërthamës së reaktorit.

1) djegia e karburantit për të gjeneruar një sasi të caktuar energjie (një fuqi e caktuar për një kohë të caktuar);

2) kompensimi i përthithjeve të dëmshme dhe kompensimi i efekteve të temperaturës që lindin gjatë një reaksioni bërthamor.

Pasi masa e karburantit të ngarkuar është më e madhe se ajo kritike për eff>1, gjë që çon në gjendjen superkritike të reaktorit.

Për të mbajtur k eff =1, reaktori ka një sistem kompensimi dhe kontrolli, me ndihmën e të cilit futen në bërthamë pllaka dhe shufra të posaçme që thithin fuqishëm neutronet, të cilët lëvizin ndërsa karburanti digjet.

Koha e funksionimit të karburantit në reaktor me fuqinë e tij të plotë midis ngarkesave quhet fushata e reaktorit (shufrat e rregullueshme janë bërë nga kadmium-113, grafit-114, bar-10).

Shumë nga lexuesit tanë e lidhin bombën me hidrogjen me bombën atomike, vetëm shumë më të fuqishme. Në fakt, kjo është një armë thelbësisht e re që kërkon përpjekje të mëdha intelektuale në mënyrë disproporcionale për krijimin e saj dhe punon mbi parime thelbësisht të ndryshme fizike.

E vetmja gjë që bomba atomike dhe bomba hidrogjenore kanë të përbashkët është se të dyja çlirojnë energjinë kolosale të fshehur në bërthamën atomike. Kjo mund të bëhet në dy mënyra: ndani bërthamat e rënda, si uraniumi ose plutoniumi, në ato më të lehta (reaksioni i ndarjes) ose detyroni izotopet më të lehta të hidrogjenit të bashkohen (reaksioni i shkrirjes). Si rezultat i të dy reaksioneve, masa e materialit që rezulton është gjithmonë më e vogël se masa e atomeve fillestare. Por masa nuk mund të zhduket pa lënë gjurmë - ajo shndërrohet në energji sipas formulës së famshme të Ajnshtajnit E=mc 2 .

Për të krijuar një bombë atomike, kusht i domosdoshëm dhe i mjaftueshëm është marrja e materialit të zbërthyeshëm në sasi të mjaftueshme. Puna është mjaft e mundimshme, por jo shumë intelektuale dhe është më afër industrisë minerare sesa shkencës së lartë. Burimet kryesore në krijimin e armëve të tilla shkojnë në ndërtimin e minierave gjigante të uraniumit dhe fabrikave të pasurimit. Dëshmi e thjeshtësisë së pajisjes është fakti se nuk kaloi as një muaj nga marrja e plutoniumit të nevojshëm për bombën e parë dhe shpërthimi i parë bërthamor sovjetik.

Le të kujtojmë shkurtimisht parimin e funksionimit të një bombe të tillë, i njohur nga kursi i fizikës shkollore. Ai bazohet në vetinë e uraniumit dhe disa elementeve transuranium, si plutoniumi, për të lëshuar më shumë se një neutron gjatë kalbjes. Këta elementë mund të kalbet si spontanisht ashtu edhe nën ndikimin e neutroneve të tjerë.

Neutroni i çliruar mund të largohet nga materiali radioaktiv, ose mund të përplaset me një atom tjetër, duke shkaktuar një reaksion tjetër të ndarjes. Kur një përqendrim i caktuar i një lënde (masa kritike) tejkalohet, numri i neutroneve të porsalindur që shkaktojnë ndarje të mëtejshme të bërthamës atomike fillon të tejkalojë numrin e bërthamave në kalbje. Numri i atomeve në kalbje fillon të rritet si një ortek, duke lindur neutrone të reja, domethënë ndodh një reaksion zinxhir. Për uranium-235 masa kritike është rreth 50 kg, për plutonium-239 është 5.6 kg. Kjo do të thotë, një top plutoniumi që peshon pak më pak se 5.6 kg është vetëm një copë metali e ngrohtë dhe pak më shumë masë ekziston vetëm për disa nanosekonda.

Në fakt, funksionimi i bombës është i thjeshtë: marrim dy hemisfera uraniumi ose plutoniumi, secila pak më pak se masa kritike, i vendosim në një distancë prej 45 cm, i mbulojmë me eksploziv dhe shpërthejmë. Uraniumi ose plutoniumi shkrihet në një pjesë të masës superkritike dhe fillon një reaksion bërthamor. Gjithçka. Ekziston një mënyrë tjetër për të filluar një reaksion bërthamor - për të ngjeshur një pjesë të plutoniumit me një shpërthim të fuqishëm: distanca midis atomeve do të ulet dhe reagimi do të fillojë me një masë kritike më të ulët. Të gjithë detonatorët modernë atomikë punojnë në këtë parim.

Problemet e bombës atomike nisin që nga momenti kur duam të rrisim fuqinë e shpërthimit. Një rritje e thjeshtë e materialit të zbërthyer është e domosdoshme - sapo masa e tij të arrijë një masë kritike, ajo shpërthen. U krijuan skema të ndryshme të zgjuara, për shembull, për të bërë një bombë jo nga dy pjesë, por nga shumë, gjë që e bëri bombën të fillonte t'i ngjante një portokalli të gërvishtur dhe më pas ta bashkonte atë në një copë me një shpërthim, por gjithsesi, me një fuqi. prej mbi 100 kilotonësh, problemet u bënë të pakapërcyeshme.

Por karburanti për shkrirjen termonukleare nuk ka një masë kritike. Këtu Dielli, i mbushur me lëndë djegëse termonukleare, varet lart, një reaksion termonuklear ka ndodhur brenda tij për një miliard vjet dhe asgjë nuk shpërthen. Për më tepër, gjatë reaksionit të shkrirjes, për shembull, deuterium dhe tritium (izotopi i rëndë dhe super i rëndë i hidrogjenit), lirohet 4.2 herë më shumë energji sesa kur digjet e njëjta masë e uraniumit-235.

Prodhimi i bombës atomike ishte më shumë eksperimental sesa teorik. Krijimi i një bombe me hidrogjen kërkonte shfaqjen e disiplinave fizike krejtësisht të reja: fizikën e plazmës me temperaturë të lartë dhe presione të larta. Para fillimit të projektimit të një bombe, ishte e nevojshme të kuptohej plotësisht natyra e fenomeneve që ndodhin vetëm në thelbin e yjeve. Asnjë eksperiment nuk mund të ndihmonte këtu - mjetet e studiuesve ishin vetëm fizika teorike dhe matematika e lartë. Nuk është rastësi që një rol gjigant në zhvillimin e armëve termonukleare u takon pikërisht matematikanëve: Ulam, Tikhonov, Samarsky, etj.

super klasike

Në fund të vitit 1945, Edward Teller propozoi modelin e parë të bombës me hidrogjen, të quajtur "super klasik". Për të krijuar presionin dhe temperaturën monstruoze të nevojshme për të filluar reaksionin e shkrirjes, supozohej të përdorej një bombë atomike konvencionale. Vetë "super klasik" ishte një cilindër i gjatë i mbushur me deuterium. U sigurua gjithashtu një dhomë e ndërmjetme "ndezëse" me një përzierje deuterium-tritium - reagimi i sintezës së deuteriumit dhe tritiumit fillon me një presion më të ulët. Për analogji me një zjarr, deuteriumi duhej të luante rolin e druve të zjarrit, një përzierje e deuteriumit dhe tritiumit - një gotë benzinë ​​dhe një bombë atomike - ndeshje. Një skemë e tillë quhej një "tub" - një lloj puro me një çakmak atomik në një fund. Sipas të njëjtës skemë, fizikanët sovjetikë filluan të zhvillojnë një bombë hidrogjeni.

Sidoqoftë, matematikani Stanislav Ulam i vërtetoi Teller-it me një rregull të zakonshëm rrëshqitjeje se shfaqja e një reaksioni të shkrirjes së deuteriumit të pastër në një "super" është vështirë se është e mundur dhe përzierja do të kërkonte një sasi të tillë tritium që për prodhimin e tij do të ishte e nevojshme. për të ngrirë praktikisht prodhimin e plutoniumit të shkallës së armëve në Shtetet e Bashkuara.

Puf sheqeri

Në mesin e vitit 1946, Teller propozoi një skemë tjetër për bombën me hidrogjen - "ora me zile". Ai përbëhej nga shtresa sferike të alternuara të uraniumit, deuteriumit dhe tritiumit. Gjatë një shpërthimi bërthamor të ngarkesës qendrore të plutoniumit, u krijua presioni dhe temperatura e nevojshme për të filluar një reaksion termonuklear në shtresat e tjera të bombës. Sidoqoftë, për "orën e alarmit" kërkohej një iniciator atomik me fuqi të lartë, dhe Shtetet e Bashkuara (si, në të vërtetë, BRSS) përjetuan probleme me prodhimin e uraniumit dhe plutoniumit të shkallës së armëve.

Në vjeshtën e vitit 1948, Andrei Sakharov doli me një skemë të ngjashme. Në Bashkimin Sovjetik, dizajni u quajt "sloika". Për BRSS, e cila nuk kishte kohë të mjaftueshme për të prodhuar uranium-235 dhe plutonium-239 të shkallës së armëve, puçrra e Saharovit ishte një ilaç. Dhe kjo është arsyeja pse.

Në një bombë të zakonshme atomike, uraniumi natyror-238 jo vetëm që është i padobishëm (energjia e neutroneve gjatë kalbjes nuk është e mjaftueshme për të filluar ndarjen), por edhe i dëmshëm, pasi thith me lakmi neutronet dytësore, duke ngadalësuar reaksionin zinxhir. Prandaj, uraniumi i shkallës së armëve është izotop 90% i uraniumit-235. Sidoqoftë, neutronet që rezultojnë nga shkrirja termonukleare janë 10 herë më energjikë se neutronet e ndarjes dhe uraniumi natyror-238 i rrezatuar me neutrone të tilla fillon të zbërthehet në mënyrë të shkëlqyeshme. Bomba e re bëri të mundur përdorimin e uraniumit-238 si eksploziv, i cili më parë konsiderohej si mbetje.

Pika kryesore e "fryrjes" së Sakharov ishte gjithashtu përdorimi i një substance kristalore me dritë të bardhë, litium deutride 6 LiD, në vend të tritiumit me mungesë akute.

Siç u përmend më lart, një përzierje e deuteriumit dhe tritiumit ndizet shumë më lehtë se deuteriumi i pastër. Megjithatë, këtu përfundojnë avantazhet e tritiumit dhe mbeten vetëm disavantazhet: në gjendje normale, tritiumi është një gaz, i cili shkakton vështirësi në ruajtje; tritium është radioaktiv dhe, ndërsa zbërthehet, shndërrohet në helium-3 të qëndrueshëm, duke gllabëruar në mënyrë aktive neutronet e shpejta shumë të nevojshme, gjë që kufizon jetëgjatësinë e bombës në disa muaj.

Deutridi i litiumit jo radioaktiv, kur rrezatohet me neutrone me ndarje të ngadaltë - pasojat e një shpërthimi të një sigurese atomike - shndërrohet në tritium. Kështu, rrezatimi i shpërthimit primar atomik në një çast prodhon tritium të mjaftueshëm për një reaksion të mëtejshëm termonuklear, dhe deuteriumi është i pranishëm në deuteriumin e litiumit që në fillim.

Ishte një bombë e tillë, RDS-6, që u testua me sukses më 12 gusht 1953 në kullën e vendit të provës Semipalatinsk. Fuqia e shpërthimit ishte 400 kilotonë dhe ende nuk kanë pushuar mosmarrëveshjet nëse ishte një shpërthim i vërtetë termonuklear apo një atomik super i fuqishëm. Në të vërtetë, reagimi i shkrirjes termonukleare në fryrjen e Sakharov përbënte jo më shumë se 20% të fuqisë totale të ngarkesës. Kontributi kryesor në shpërthim u dha nga reaksioni i kalbjes së uraniumit-238 të rrezatuar me neutrone të shpejta, falë të cilit RDS-6 hapën epokën e të ashtuquajturave bomba "të pista".

Fakti është se ndotja kryesore radioaktive janë vetëm produktet e kalbjes (në veçanti, stroncium-90 dhe cezium-137). Në thelb, "sloika" e Saharovit ishte një bombë atomike gjigante, vetëm pak e përmirësuar nga një reaksion termonuklear. Nuk është rastësi që vetëm një shpërthim i "sloika" prodhoi 82% të stroncium-90 dhe 75% të cezium-137, i cili hyri në atmosferë gjatë gjithë historisë së ekzistencës së vendit të provës Semipalatinsk.

bombat amerikane

Megjithatë, ishin amerikanët ata që shpërthyen bombën e parë me hidrogjen. 1 nëntor 1952 në atolin Elugelab në Oqeani Paqësor Pajisja fusion 10 megaton "Mike" u testua me sukses. Të quash një bombë një pajisje amerikane 74 tonëshe mund të jetë e vështirë. "Mike" ishte një pajisje e rëndë me madhësinë e një shtëpie dykatëshe, e mbushur me deuterium të lëngshëm në një temperaturë afër zeros absolute ("sloika" Sakharov ishte një produkt plotësisht i transportueshëm). Sidoqoftë, pika kryesore e "Mike" nuk ishte madhësia, por parimi i zgjuar i ngjeshjes së eksplozivëve termonuklear.

Kujtojmë se ideja kryesore e bombës me hidrogjen është krijimi i kushteve për shkrirje (presion dhe temperaturë super të lartë) përmes një shpërthimi bërthamor. Në skemën "puff", ngarkesa bërthamore është e vendosur në qendër, dhe për këtë arsye ajo nuk e ngjesh deuteriumin aq shumë sa e shpërndan atë nga jashtë - një rritje në sasinë e eksplozivit termonuklear nuk çon në një rritje të fuqisë - thjesht nuk ka kohë për të shpërthyer. Kjo është ajo që kufizon fuqinë maksimale të kësaj skeme - "puff" më i fuqishëm në botë Orange Herald, i hedhur në erë nga britanikët më 31 maj 1957, dha vetëm 720 kiloton.

Do të ishte ideale nëse fitili atomik mund të bëhej të shpërthejë brenda, duke shtrydhur eksplozivët termonuklear. Por si ta bëjmë këtë? Edward Teller parashtroi një ide të shkëlqyer: të kompresohet karburanti termonuklear jo nga energjia mekanike dhe fluksi neutron, por nga rrezatimi nga siguresa atomike parësore.

Në modelin e ri të Teller-it, nyja atomike iniciuese ishte e ndarë nga njësia termonukleare. Rrezatimi me rreze X gjatë funksionimit të ngarkesës atomike tejkaloi valën e goditjes dhe u përhap përgjatë mureve të trupit cilindrik, duke avulluar dhe kthyer në plazmë rreshtimin e brendshëm të polietilenit të trupit të bombës. Plazma, nga ana tjetër, ri-rrezatoi rreze X më të buta, të cilat u përthitheshin nga shtresat e jashtme të cilindrit të brendshëm të uraniumit-238 - "shtytësi". Shtresat filluan të avullojnë në mënyrë shpërthyese (ky fenomen quhet ablation). Plazma inkandeshente e uraniumit mund të krahasohet me avionët e një motori rakete super të fuqishëm, shtytja e të cilit drejtohet në cilindër me deuterium. Cilindri i uraniumit u shemb, presioni dhe temperatura e deuteriumit arritën niveli kritik. I njëjti presion kompresoi tubin qendror të plutoniumit në një masë kritike dhe ai shpërtheu. Shpërthimi i siguresës së plutoniumit shtypi deuteriumin nga brenda, duke kompresuar dhe ngrohur gjithashtu eksplozivin termonuklear, i cili shpërtheu. Fluksi intensiv i neutronit ndan bërthamat e uraniumit-238 në shtytësin, duke shkaktuar një reaksion dytësor të prishjes. E gjithë kjo kishte kohë të ndodhte përpara momentit kur vala e shpërthimit nga shpërthimi parësor bërthamor arriti në njësinë termonukleare. Llogaritja e të gjitha këtyre ngjarjeve që ndodhin në të miliardat e sekondës kërkonte tendosjen e mendjes së matematikanëve më të fortë në planet. Krijuesit e "Mike" përjetuan jo tmerr nga shpërthimi 10 megatonësh, por kënaqësi të papërshkrueshme - ata arritën jo vetëm të kuptojnë proceset që ndodhin në botën reale vetëm në bërthamat e yjeve, por edhe të testojnë eksperimentalisht teoritë e tyre duke rregulluar yll i vogël në Tokë.

Bravo

Duke tejkaluar rusët për sa i përket bukurisë së dizajnit të tyre, amerikanët nuk ishin në gjendje ta bënin pajisjen e tyre kompakte: ata përdorën deuterium të lëngshëm të superftohur në vend të deutridit të litiumit pluhur të Saharovit. Në Los Alamos, ata reaguan ndaj fryrjes së Saharovit me një shkallë zilie: "në vend të një lope të madhe me një kovë qumësht të papërpunuar, rusët përdorin një paketë qumështi pluhur". Megjithatë, të dyja palët nuk arritën t'i fshehin sekretet njëra-tjetrës. Më 1 mars 1954, afër Atollit Bikini, amerikanët testuan bombën Bravo prej 15 megatonësh në deutrid litium, dhe më 22 nëntor 1955, bomba e parë termonukleare sovjetike me dy faza RDS-37 me një kapacitet prej 1.7 megatonësh shpërtheu sipër. sheshin e provës Semipalatinsk, duke shkatërruar pothuajse gjysmën e zonës së provës. Që atëherë, dizajni i bombës termonukleare ka pësuar ndryshime të vogla (për shembull, një mburojë uraniumi u shfaq midis bombës fillestare dhe ngarkesës kryesore) dhe është bërë kanonike. Dhe në botë nuk ka më mistere të tilla në shkallë të gjerë të natyrës, të cilat mund të zgjidheshin nga një eksperiment kaq spektakolar. A është kjo lindja e një supernova.

Pak teori Ka 4 reaksione në një bombë termonukleare dhe ato vazhdojnë shumë shpejt. Dy reaksionet e para shërbejnë si burim materiali për të tretën dhe të katërtin, të cilët, në temperaturat e një shpërthimi termonuklear, zhvillohen 30-100 herë më shpejt dhe japin një rendiment më të madh energjie. Prandaj, heliumi-3 dhe tritiumi që rezulton konsumohen menjëherë. Bërthamat e atomeve janë të ngarkuara pozitivisht dhe për këtë arsye sprapsin njëra-tjetrën. Në mënyrë që ata të reagojnë, ata duhet të shtyhen kokë më kokë, duke kapërcyer zmbrapsjen elektrike. Kjo është e mundur vetëm nëse lëvizin me shpejtësi të madhe. Shpejtësia e atomeve lidhet drejtpërdrejt me temperaturën, e cila duhet të arrijë 50 milionë gradë! Por nuk mjafton ngrohja e deuteriumit në një temperaturë të tillë; Në natyrë, temperatura të tilla me një densitet të tillë gjenden vetëm në thelbin e yjeve.

Një pajisje misterioze e aftë për të çliruar gigaxhaule energji për një periudhë të papërshkrueshme kohore është e rrethuar nga romanca ogurzezë. Eshtë e panevojshme të thuhet, në të gjithë botën, puna për armët bërthamore ishte thellësisht e klasifikuar, dhe vetë bomba ishte e mbushur me një masë legjendash dhe mitesh. Le të përpiqemi t'i trajtojmë me radhë.

Andrey Suvorov

Asgjë nuk gjeneron aq interes sa bomba atomike

gusht 1945. Ernest Orlando Lawrence në laboratorin e bombës atomike

1954 Tetë vjet pas shpërthimit në Bikini Atoll, shkencëtarët japonezë zbuluan nivel të lartë rrezatimi nga peshqit e kapur në ujërat lokale

Masë kritike

Të gjithë kanë dëgjuar se ekziston një masë e caktuar kritike që duhet fituar për të filluar një reaksion zinxhir bërthamor. Kjo është vetëm në mënyrë që të ndodhë një shpërthim i vërtetë bërthamor, një masë kritike nuk është e mjaftueshme - reagimi do të ndalet pothuajse menjëherë, përpara se energjia e dukshme të ketë kohë për t'u çliruar. Për një shpërthim në shkallë të plotë prej disa kilotonësh ose dhjetëra kilotonësh, është e nevojshme të mblidhen njëkohësisht dy ose tre, dhe mundësisht katër ose pesë masa kritike.

Duket qartë se dy ose më shumë pjesë duhet të bëhen nga uraniumi ose plutoniumi dhe të lidhen në momentin e kërkuar. Me drejtësi, duhet thënë se të njëjtën mënyrë menduan edhe fizikanët kur ndërmorën projektimin e një bombe bërthamore. Por realiteti ka bërë rregullimet e veta.

Puna është se nëse do të kishim uranium-235 ose plutonium-239 shumë të pastër, mund ta bënim këtë, por shkencëtarët duhej të merreshin me metale të vërteta. Duke pasuruar uraniumin natyror, ju mund të bëni një përzierje që përmban 90% uranium-235 dhe 10% uranium-238, përpjekjet për të hequr qafe pjesën e mbetur të uraniumit-238 çojnë në një rritje shumë të shpejtë të kostos së këtij materiali (quhet uranium shumë të pasuruar). Plutoni-239, i cili merret në një reaktor bërthamor nga uraniumi-238 gjatë ndarjes së uraniumit-235, përmban domosdoshmërisht një përzierje të plutonium-240.

Izotopet uranium235 dhe plutonium239 quhen çift-tek sepse bërthamat e tyre përmbajnë një numër çift protonesh (92 për uraniumin dhe 94 për plutoniumin) dhe një numër tek neutronet (përkatësisht 143 dhe 145). Të gjitha bërthamat çift teke të elementëve të rëndë kanë një veti të përbashkët: ato rrallë ndahen në mënyrë spontane (shkencëtarët thonë: "spontanisht"), por ato zbërthehen lehtësisht kur goditen nga një bërthamë neutron.

Uraniumi-238 dhe plutoniumi-240 janë të njëtrajtshëm. Përkundrazi, ata praktikisht nuk zbërthehen me neutrone me energji të ulët dhe të moderuar që fluturojnë nga bërthamat e zbërthyeshme, por nga ana tjetër, ato shpërndahen në mënyrë spontane qindra ose dhjetëra mijëra herë më shpesh, duke formuar një sfond neutron. Ky sfond e bën shumë të vështirë krijimin e armëve bërthamore, sepse bën që reagimi të fillojë para kohe, para se të takohen dy pjesët e ngarkesës. Për shkak të kësaj, në një pajisje të përgatitur për një shpërthim, pjesët e masës kritike duhet të vendosen mjaft larg nga njëra-tjetra dhe të lidhen me një shpejtësi të madhe.

bombë top

Megjithatë, bomba e hedhur në Hiroshima më 6 gusht 1945, është bërë pikërisht sipas skemës së mësipërme. Dy pjesët e tij, objektivi dhe plumbi, ishin bërë nga uranium shumë i pasuruar. Objektivi ishte një cilindër me diametër 16 cm dhe gjithashtu i lartë 16 cm. Në qendër të tij kishte një vrimë me diametër 10 cm. Në përputhje me këtë vrimë ishte bërë një plumb. Në total, bomba përmbante 64 kg uranium.

Objektivi ishte i rrethuar nga një predhë, shtresa e brendshme e së cilës ishte prej karabit tungsteni, shtresa e jashtme ishte prej çeliku. Qëllimi i predhës ishte i dyfishtë: të mbante plumbin kur godiste objektivin dhe të pasqyronte të paktën një pjesë të neutroneve të emetuara nga uraniumi prapa. Duke marrë parasysh reflektorin e neutronit, 64 kg ishte 2.3 masa kritike. Si erdhi, sepse secila prej pjesëve ishte nënkritike? Fakti është se duke hequr pjesën e mesme të cilindrit, zvogëlojmë densitetin mesatar të tij dhe rritet vlera e masës kritike. Kështu, masa e kësaj pjese mund të kalojë masën kritike për një pjesë të fortë metali. Por është e pamundur të rritet masa e plumbit në këtë mënyrë, sepse ai duhet të jetë i fortë.

Si objektivi ashtu edhe plumbi ishin mbledhur nga copa: një objektiv nga disa unaza me lartësi të ulët dhe një plumb nga gjashtë toptha. Arsyeja është e thjeshtë - boshllëqet e uraniumit duhej të ishin me përmasa të vogla, sepse gjatë prodhimit (hedhjes, shtypjes) të boshllëkut, sasia totale e uraniumit nuk duhet t'i afrohet masës kritike. Plumbi ishte i mbështjellë në një xhaketë çeliku inox me mure të hollë, me një kapak karabit tungsteni si xhaketa e objektivit.

Për ta drejtuar plumbin në qendër të objektivit, vendosëm të përdorim tytën e një arme konvencionale kundërajrore të kalibrit 76.2 mm. Kjo është arsyeja pse kjo lloj bombë nganjëherë referohet si një bombë top. Fuçi u mërzit nga brenda deri në 100 mm, kështu që një predhë kaq e pazakontë hyri në të. Gjatësia e tytës ishte 180 cm. Në dhomën e karikimit futej pluhuri i zakonshëm pa tym, i cili qëlloi një plumb me shpejtësi rreth 300 m/s. Dhe skaji tjetër i fuçisë u shtyp në një vrimë në guaskën e synuar.

Ky dizajn kishte shumë mangësi.

Ishte jashtëzakonisht e rrezikshme: sapo baruti të ngarkohej në dhomën e karikimit, çdo aksident që mund ta ndezte do të shkaktonte shpërthimin e bombës me fuqi të plotë. Për shkak të kësaj, piroksilina u ngarkua tashmë në ajër kur avioni fluturoi deri në objektiv.

Në rast të një aksidenti avioni, pjesët e uraniumit mund të lidhen pa barut, thjesht nga një goditje e fortë në tokë. Për të shmangur këtë, diametri i plumbit ishte një pjesë e një milimetri më i madh se diametri i shpimit në tytë.

Nëse bomba do të binte në ujë, atëherë për shkak të moderimit të neutroneve në ujë, reagimi mund të fillonte edhe pa u bashkuar pjesët. Vërtetë, në këtë rast një shpërthim bërthamor nuk ka gjasa, por do të ndodhte një shpërthim termik, me uranium të spërkatur në një zonë të madhe dhe ndotje radioaktive.

Gjatësia e një bombe të këtij dizajni i kalonte dy metra, dhe kjo është praktikisht e pakapërcyeshme. Në fund të fundit, u arrit një gjendje kritike dhe reagimi filloi kur kishte ende një gjysmë metër të mirë para se të ndalonte plumbi!

Më në fund, kjo bombë ishte shumë e kotë: më pak se 1% e uraniumit kishte kohë për të reaguar në të!

Avantazhi i bombës me top ishte pikërisht një: nuk mund të mos funksiononte. Ajo as që do të testohej! Por amerikanëve iu desh të testonin bombën e plutoniumit: dizajni i saj ishte shumë i ri dhe i ndërlikuar.

top futbolli plutonium

Kur doli se edhe një përzierje e vogël (më pak se 1%!) e plutonium-240 e bëri të pamundur montimin e një bombe plutoniumi me top, fizikanët u detyruan të kërkonin mënyra të tjera për të fituar masë kritike. Dhe çelësi i eksplozivëve të plutoniumit u gjet nga njeriu që më vonë u bë "spiuni bërthamor" më i famshëm - fizikani britanik Klaus Fuchs.

Ideja e tij, e quajtur më vonë "shpërthimi", ishte të formonte një valë goditëse sferike konvergjente nga një divergjente, duke përdorur të ashtuquajturat thjerrëza shpërthyese. Kjo valë goditëse duhej të ngjeshte një pjesë të plutoniumit në mënyrë që dendësia e tij të dyfishohej.

Nëse ulja e densitetit shkakton një rritje të masës kritike, atëherë rritja e densitetit duhet ta zvogëlojë atë! Për plutonium, kjo është veçanërisht e vërtetë. Plutoniumi është një material shumë specifik. Kur një pjesë e plutoniumit ftohet nga temperatura e shkrirjes në temperaturën e dhomës, ajo pëson kalime katër fazash. Në këtë të fundit (rreth 122 gradë), dendësia e tij rritet befas me 10%. Në këtë rast, çdo derdhje në mënyrë të pashmangshme do të plasaritet. Për të shmangur këtë, plutoniumi lidhet me disa metale trevalente, pastaj gjendja e lirshme bëhet e qëndrueshme. Alumini mund të përdoret, por në vitin 1945 kishte frikë se grimcat alfa të emetuara nga bërthamat e plutoniumit gjatë kalbjes së tyre do të rrëzonin neutronet e lira nga bërthamat e aluminit, duke rritur sfondin tashmë të dukshëm të neutronit, kështu që galiumi u përdor në bombën e parë atomike.

Nga një aliazh që përmban 98% plutonium-239, 0,9% plutonium-240 dhe 0,8% galium, u krijua një top me një diametër prej vetëm 9 cm dhe një peshë prej rreth 6,5 kg. Në qendër të topit kishte një zgavër me diametër 2 cm dhe përbëhej nga tre pjesë: dy gjysma dhe një cilindër me diametër 2 cm. Ky cilindër shërbente si prizë përmes së cilës mund të futej një iniciator. zgavra e brendshme - një burim neutronesh që funksionoi kur shpërtheu bomba. Të tre pjesët duhej të ishin të nikeluara, sepse plutoniumi oksidohet në mënyrë shumë aktive nga ajri dhe uji dhe është jashtëzakonisht i rrezikshëm nëse hyn në trupin e njeriut.

Topi ishte i rrethuar nga një reflektor neutron natyral uranium-238 7 cm i trashë dhe 120 kg në peshë. Uraniumi është një reflektues i mirë i neutroneve të shpejta, dhe sistemi i montuar ishte vetëm pak nënkritik, kështu që një prizë kadmiumi u fut në vend të plutoniumit, i cili thithte neutronet. Reflektori shërbeu gjithashtu për të mbajtur të gjitha detajet e montimit kritik gjatë reaksionit, përndryshe pjesa më e madhe e plutoniumit do të ndahej, duke mos pasur kohë për të marrë pjesë në reaksionin bërthamor.

Më pas erdhi një shtresë 11.5 cm aliazh alumini me peshë 120 kg. Qëllimi i shtresës është i njëjtë me atë të veshjes së thjerrëzave të objektivave: të sigurohet që vala e shpërthimit të depërtojë në asamblenë uranium-plutonium dhe të mos reflektohet prej tij. Ky reflektim është për shkak të ndryshimit të madh të densitetit midis eksplozivëve dhe uraniumit (afërsisht 1:10). Përveç kësaj, në një valë goditëse, një valë kompresimi pasohet nga një valë rrallimi, i ashtuquajturi efekti Taylor. Shtresa e aluminit dobësoi valën e rrallimit, e cila uli efektin e eksplozivit. Alumini duhej të dopohej me bor, i cili thithte neutronet e emetuara nga bërthamat e atomeve të aluminit nën ndikimin e grimcave alfa që lindnin nga prishja e uraniumit-238.

Më në fund, ato "thjerrëza shpërthyese" ishin jashtë. Ishin 32 prej tyre (20 me gjashtë anë dhe 12 me pesë anë), ata formuan një strukturë të ngjashme me një top futbolli. Çdo lente përbëhej nga tre pjesë, me atë të mesme të bërë nga një eksploziv i veçantë "i ngadalshëm", dhe të jashtëm dhe të brendshëm - nga "i shpejtë". Pjesa e jashtme ishte sferike nga jashtë, por brenda kishte një zgavër konike, si në një ngarkesë në formë, vetëm qëllimi i saj ishte i ndryshëm. Ky kon ishte i mbushur me eksplozivë të ngadaltë dhe vala shpërthyese u thye në ndërfaqen si një valë e zakonshme drite. Por ngjashmëria këtu është shumë e kushtëzuar. Në fakt, forma e këtij koni është një nga sekretet e vërteta të bombës bërthamore.

Në mesin e viteve 1940, nuk kishte kompjuterë në botë që mund të llogaritnin formën e lenteve të tilla, dhe më e rëndësishmja, nuk kishte as një teori të përshtatshme. Prandaj, ato u bënë ekskluzivisht me provë dhe gabim. Duhej të kryheshin më shumë se një mijë shpërthime - dhe jo thjesht të kryheshin, por të fotografoheshin me kamera speciale me shpejtësi të lartë, duke regjistruar parametrat e valës së shpërthimit. Kur u përpunua një version më i vogël, doli që eksplozivët nuk përshkallëzoheshin aq lehtë dhe ishte e nevojshme të korrigjoheshin shumë rezultatet e vjetra.

Saktësia e formës duhej vëzhguar me një gabim më të vogël se një milimetër dhe përbërja dhe uniformiteti i lëndës plasëse duhej ruajtur me kujdesin maksimal. Pjesët mund të bëheshin vetëm me derdhje, kështu që jo të gjithë eksplozivët ishin të përshtatshëm. Eksplozivët e shpejtë ishin një përzierje heksogen dhe TNT, me dy herë më shumë heksogen. I ngadalshëm - i njëjti TNT, por me shtimin e nitratit inert të bariumit. Shpejtësia e valës së shpërthimit në eksplozivin e parë është 7.9 km/s, dhe në të dytën - 4.9 km/s.

Detonatorët u montuan në qendër të sipërfaqes së jashtme të çdo thjerrëze. Të 32 detonatorët duhej të punonin njëkohësisht me një saktësi të padëgjuar - më pak se 10 nanosekonda, domethënë të miliardat e sekondës! Kështu, pjesa e përparme e valës së goditjes nuk duhet të shtrembërohet me më shumë se 0,1 mm. Me të njëjtën saktësi, ishte e nevojshme të kombinoheshin sipërfaqet e çiftëzimit të lenteve, dhe megjithatë gabimi në prodhimin e tyre ishte dhjetë herë më i madh! M'u desh të bëja kallaj dhe të shpenzoja shumë letër higjienike dhe shirit për të kompensuar pasaktësitë. Por sistemi është bërë pak si një model teorik.

Më duhej të shpikja detonatorë të rinj: të vjetrit nuk siguronin sinkronizimin e duhur. Ato janë bërë në bazë të telave që shpërthejnë nën një impuls të fuqishëm të një rryme elektrike. Për funksionimin e tyre, nevojitej një bateri me 32 kondensatorë të tensionit të lartë dhe i njëjti numër shkarkuesish me shpejtësi të lartë - një për çdo detonator. I gjithë sistemi, së bashku me bateritë dhe karikuesin e kondensatorit, peshonin pothuajse 200 kg në bombën e parë. Megjithatë, në krahasim me peshën e eksplozivit, i cili mori 2.5 tonë, nuk ishte shumë.

Më në fund, e gjithë struktura ishte e mbyllur në një trup sferik duralumin, i përbërë nga një rrip i gjerë dhe dy mbulesa - sipërme dhe të poshtme, të gjitha këto pjesë ishin mbledhur në bulona. Dizajni i bombës bëri të mundur montimin e saj pa një bërthamë plutoniumi. Për të vendosur plutoniumin në vend, së bashku me një pjesë të reflektorit të uraniumit, mbulesa e sipërme e kutisë u zhvidhos dhe u hoq një lente shpërthyese.

Lufta me Japoninë po i vinte fundi dhe amerikanët nxitonin. Por bomba e shpërthimit duhej të testohej. Këtij operacioni iu dha emri i koduar "Trinity" ("Trinity"). Po, bomba atomike duhej të demonstronte fuqinë e disponueshme më parë vetëm për perënditë.

sukses brilant

Vendi për provën u zgjodh në shtetin e New Mexico, në një vend me emrin piktoresk të Jornadadel Muerto (Rruga e Vdekjes) - territori ishte pjesë e gamës së artilerisë Alamagordo. Bomba filloi të montohej më 11 korrik 1945. Më 14 korrik, ajo u ngrit në majë të një kulle të ndërtuar posaçërisht 30 m të lartë, telat u lidhën me detonatorët dhe fazat e fundit të përgatitjeve lidheshin me sasi e madhe pajisje matëse. Më 16 korrik 1945, në orën pesë e gjysmë të mëngjesit, pajisja u hodh në erë.

Temperatura në qendër të shpërthimit arrin disa milionë gradë, kështu që ndezja e një shpërthimi bërthamor është shumë më e ndritshme se Dielli. Topi i zjarrit zgjat disa sekonda, pastaj fillon të ngrihet, errësohet, nga e bardha në portokalli, më pas në ngjyrë të kuqe, dhe formohet kërpudha bërthamore tashmë e famshme. Reja e parë e kërpudhave u ngrit në një lartësi prej 11 km.

Energjia e shpërthimit ishte më shumë se 20 kt TNT. Shumica e pajisjeve matëse u shkatërruan, sepse fizikanët numëruan 510 tonë dhe i vendosën pajisjet shumë afër. Për më tepër, ishte një sukses, një sukses i shkëlqyer!

Por amerikanët u përballën me një kontaminim radioaktiv të papritur të zonës. Shtylla e rrjedhës radioaktive shtrihej për 160 km në verilindje. Një pjesë e popullsisë duhej të evakuohej nga qyteti i vogël Bingham, por të paktën pesë banorë lokalë morën doza deri në 5760 rentgen.

Doli se për të shmangur kontaminimin, bomba duhet të shpërthejë në një lartësi mjaftueshëm të lartë, të paktën një kilometër e gjysmë, pastaj produktet e kalbjes radioaktive shpërndahen në një sipërfaqe prej qindra mijëra apo edhe miliona kilometra katrorë. dhe treten në sfondin e rrezatimit global.

Një bombë e dytë e këtij dizajni u hodh në Nagasaki më 9 gusht, 24 ditë pas këtij testi dhe tre ditë pas bombardimit të Hiroshimës. Që atëherë, pothuajse të gjitha armët bërthamore kanë përdorur teknologjinë e shpërthimit. Bomba e parë sovjetike RDS-1, e testuar më 29 gusht 1949, u bë sipas të njëjtës skemë.

Për të kryer një reaksion zinxhir të ndarjes, është e nevojshme të krijohet një mjedis riprodhues i përbërë nga material i pastër zbërthyes ose material i zbërthyer dhe një moderator, përbërja e të cilit siguron zhvillimin e reaksionit. Duhet të theksohet se materialet strukturore në mënyrë të pashmangshme do të jenë të pranishme në këtë mjedis. Megjithatë, zgjedhja e një mjedisi riprodhues me parametrat e kërkuar nuk ofron ende të gjitha kushtet për një reaksion zinxhir. Me një madhësi të vogël dhe, në përputhje me rrethanat, masën e mediumit riprodhues, shumica e neutroneve që dalin në të do të fluturojnë pa pasur kohë për të shkaktuar ndarje, dhe një reaksion zinxhir i vetëqëndrueshëm (SCR) nuk do të ndodhë. Rrjedhja e neutroneve nga një vëllim me një mjedis riprodhues çon në të njëjtin rezultat si thithja e tyre pa ndarje.

Me rritjen e madhësisë së mjedisit riprodhues, rritet gjatësia mesatare e rrugës së neutronit në të, dhe për rrjedhojë, numri i përplasjeve me bërthamat, pasuar nga ndarja dhe shfaqja e neutroneve të reja.Të përshkruajë sjelljen e reaktorit në kohë. , kemi përdorur faktori i shumëzimit k eff - raporti i numrit të neutroneve në gjeneratën e ardhshme me numrin e neutroneve në gjeneratën e mëparshme. Në këtë interpretim, me një rritje në madhësinë e mediumit, k eff rritet nga zero me probabilitetin zero të ndarjes në vlera më të mëdha se uniteti, me një rritje të ngjashme me ortekun në numrin e neutroneve në një seri brezash.

Me k eff të barabartë me një, intensiteti i procesit të ndarjes nuk ndryshon me kalimin e kohës - procesi është i vetëqëndrueshëm dhe një sistem i tillë quhet kritike . Në k eff< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют nënkritike . Kur k eff > 1, sistemi superkritike.

Masa minimale e materialit të zbërthyeshëm që kërkohet për të kryer një reaksion të ndarjes së vetëqëndrueshme quhet masë kritike . Nëse masa e tejkalon atë kritike, atëherë në çdo gjeneratë tjetër do të lindin më shumë neutrone sesa në atë të mëparshmen dhe do të zhvillohet reaksioni zinxhir. Vlera e masës kritike varet nga vetitë e nuklidit të zbërthyer (235 U ose 239 Pu), nga përbërja e mjedisit të rritjes dhe nga mjedisi i tij. Masa kritike mund të variojë nga disa qindra gram në pajisjet eksperimentale në dhjetëra kilogramë në kokat bërthamore dhe disa tonë në reaktorët e mëdhenj me fuqi. Konsideroni një reaktor bërthamor natyror të uraniumit. Një reaksion zinxhir i vetëqëndrueshëm mund të ndodhë në të nëse numri i neutroneve dytësore të prodhuara nga ndarja dhe të aftë për të shkaktuar ndarje të mëtejshme është i mjaftueshëm për të ruajtur shkallën e ndarjes në reaktor në një nivel konstant.