La masa crítica de material fisible es la masa mínima de material suficiente para desencadenar una reacción en cadena de fisión nuclear (ver también: fisión nuclear ).
Depende de las propiedades nucleares del material considerado ( sección transversal de fisión y número de neutrones producidos por la fisión), pero también de sus propiedades físicas (en particular de su densidad ), su forma y su pureza .
De hecho, un material fisionable es un material que contiene átomos pesados ( por ejemplo: uranio 235 ) que se rompen (fisión) bajo el impacto de un neutrón. El resultado de esta fisión consiste en productos de fisión residuales, energía (principalmente térmica) y la emisión de dos o tres neutrones nuevos, que a su vez romperán otros núcleos, etc., de ahí el término "reacción en cadena".
Sin embargo, este proceso es teórico. En pocas palabras, no todos los neutrones son absorbidos por un núcleo fisionable: algunos son absorbidos por impurezas, otros salen del material sin haber encontrado un núcleo para romperse.
Así, variando el tamaño, la densidad, la pureza del material, la forma misma, una mayor proporción de neutrones será efectiva. Para una cantidad mínima de material, puede comenzar la reacción en cadena, esto se denomina "masa crítica".
Al rodear el material fisible con un reflector de neutrones , se favorece la fisión, lo que reduce la cantidad necesaria para desencadenar la reacción; por otro lado, la presencia de un absorbente de neutrones dentro del material fisible provoca el efecto contrario.
Masas críticas de algunos isótopos fisionables en configuración esférica y a una densidad determinada:
| Isótopo | Masa crítica (kg) |
Vida media (años) |
Calor de fisión (W / kg) |
Producción de neutrones (neutrones / kg / s) |
|---|---|---|---|---|
| Uranio 233 | dieciséis | 160.000 | 0,28 | 1.2 |
| Uranio 235 | 48 | 700.000.000 | 0,00006 | 0,36 |
| Neptunio 237 | 59 | 2,100,000 | 0.021 | 0,14 |
| Plutonio 238 | 10 | 88 | 560 | 2,700,000 |
| Plutonio 239 | 10 | 24 000 | 2.0 | 22 |
| Plutonio 240 | 37 | 6.600 | 7 | 1.000.000 |
| Plutonio 241 | 13 | 14 | 6.4 | 49 |
| Plutonio 242 | 89 | 380 000 | 0,12 | 1,700,000 |
| Americio 241 | 57 | 430 | 110 | 1500 |
El OIEA define "cantidad significativa" de material fisionable como la cantidad de material necesario para fabricar una bomba de implosión de primera generación, como la bomba de Nagasaki. Las cantidades importantes que retiene el OIEA son 8 kg de plutonio y 25 kg de U 235 en forma de uranio muy enriquecido (teniendo en cuenta las pérdidas de producción). Sin embargo, Estados Unidos ha hecho público que 4 kg de plutonio son suficientes para fabricar un artefacto explosivo nuclear. Sobre la base de la misma relación de masa crítica, una cantidad tres veces mayor (del orden de 12 kg ) de HEU sería suficiente para una máquina de esta tecnología.