Kritische Masse

Kritische Masse bezeichnet in der Kernphysik und Kerntechnik diejenige Mindestmasse eines aus einem spaltbaren Nuklid bestehenden Objektes, ab der die effektive Neutronenproduktion eine Kettenreaktion der Kernspaltung aufrechterhalten kann.

Plutoniumkugel (Modell), teilweise umgeben von Neutronen-reflektierendem Wolframcarbid.

Allgemein

Entspricht die vorhandene Masse genau der kritischen Masse, verursacht durchschnittlich gerade je eines der bei der einzelnen Kernspaltung frei werdenden Neutronen eine weitere Kernspaltung; die übrigen Neutronen verlassen das Objekt oder werden ohne Auslösung einer Spaltung absorbiert (siehe auch Kritikalität). Die Reaktionsrate ist also konstant. Übersteigt die vorhandene Masse die kritische Masse, löst durchschnittlich pro Spaltung mehr als 1 Neutron eine weitere Spaltung aus, so dass die Reaktionsrate ansteigt.

Die kritische Masse hängt ab von

• dem verwendeten spaltbaren Material (Nuklid oder Nuklidgemisch),
• der Dichte und der Form des Objektes,
• der Anwesenheit von moderierenden oder Neutronen absorbierenden Substanzen
• und der Anwesenheit eines Neutronenreflektors um das Objekt.

Je höher die Dichte, desto geringer ist die kritische Masse. Die geringste kritische Masse hat ein kugelförmiges Objekt. Ein Neutronenabsorber vergrößert die kritische Masse, ein Moderator oder ein das Objekt umgebender Neutronenreflektor verringert sie.

Tabellenmäßige Angaben der kritischen Massen verschiedener Nuklide beziehen sich in der Regel auf eine homogene unkomprimierte Kugel aus dem reinen Material ohne Reflektor. Bei anderen Formen als einer Kugel ändert sich die kritische Masse. In folgender Liste sind diese mit der reflektierten und unreflektierten kritischen Masse für schnelle unmoderierte Systeme zusammengefasst. Wenn nicht anders vermerkt, stammen die Daten aus .

Isotop	Kritische Masse			Link
	unreflektiert	reflektiert (20cm H20)	reflektiert (30cm Stahl)
Thorium-229	2839 kg	2262 kg	994 kg
Protactinium-231	580–930 kg ?	?	?
Uran-233	16,5 kg	7,3 kg	6,1 kg	[1]
Uran-234	145 kg	134 kg	83 kg
Uran-235	49,0 kg	22,8 kg	17,2 kg	[2]
Neptunium-235	66,2 kg	60 kg	38,8 kg
Neptunium-236	6,79 kg	3,21 kg	3,3 kg
Neptunium-237	63,6-68,6 kg	57,5-64,6 kg	38,6 kg	[3]
Plutonium-236	ca. 8,04-8,42 kg	5,0 kg	3,74-4,01 kg
Plutonium-237	ca. 3,1 kg	1,71 kg	1,62 kg
Plutonium-238	ca. 9,04 -10,31 kg	7,35 kg	4,7 kg	[4]
Plutonium-239	10,0 kg	5,42 - 5,45 kg	4,49 kg	[5]
Plutonium-240	35,7-39,03 kg	32,1-34,95 kg	18,3-22,6 kg
Plutonium-241	12,27 - 13,04 kg	5,87-6,68 kg	5,05-5,49 kg
Plutonium-242	85,6 kg	78,2 kg	36,2-48,1 kg
Americium-241	57,6-75,6kg	52,5-67,6 kg	33,8-44,0 kg
Americium-242m	9–18 kg	3,2-6,4 kg	3-4,6 kg	[6]
Americium-243	50-209 kg	195 kg	88-138 kg	[7]
Curium-242	24,8-371 kg	17-260 kg	7-231 kg
Curium-243	7,4-8,4 kg	2,8 kg	2,8-3,1 kg
Curium-244	23,2-33,1 kg	22,0-27,1 kg	13,2-16,81
Curium-245	6,7-12 kg	2,6-3,1 kg	2,7-3,5 kg	[8]
Curium-246	38,9-70 kg	33,6 kg	22-23,2 kg	[9]
Curium-247	7 kg	3,5 kg	2,8-3,0 kg	[10]
Curium-248	40,4 kg	34,7 kg	21,5 kg
Curium-250	23,5 kg	21,4 kg	14,7 kg
Berkelium-247	75,7 kg	41,2 kg	35,2 kg
Berkelium-249	192 kg	179 kg	131 kg
Californium-249	5,91 kg	2,28 kg	2,39 kg
Californium-250	6,55 kg	5,61 kg	3,13 kg
Californium-251	5,46-9 kg	2,45 kg	2,27 kg	[11]
Californium-252	5,87 kg	2,91 kg	3,32 kg
Californium-254	4,27 kg	2,86 kg	2,25 kg
Einsteinium-254	9,89 kg	2,26 kg	2,9 kg

Diese Daten sind größtenteils theoretisch errechnet. Experimentelle Daten liegen nur zu einigen Uran-, Neptunium- und Plutoniumisotopen vor. Die teils erheblichen Unsicherheiten erklären sich aus den nur unzureichend bekannten Wirkungsquerschnitten der einzelnen Isotope. Auch scheinbar exakte Daten in dieser Tabelle sind mit großen Unsicherheiten behaftet. Es liegen widersprüchliche Daten vor, ob ²³¹Pa eine Kettenreaktion aufrechterhalten kann. Auch für ²²⁸Th ist dies unsicher und kann anhand der bis heute (12/2008) öffentlich bekannten Daten nicht verifiziert werden. Entsprechend den Geometrien beziehen sich diese Daten auf schnelle Spaltungen. In wässriger Lösung kann für die kritische Masse für einige Isotope um mehr als eine Größenordnung gesenkt werden. Für die Isotope ²⁴⁸Bk, ²⁴⁸Cf, ²⁵²Es und ²⁵⁸Md liegen keine evaluierten Daten vor. ²⁵⁷Fm ist in der Lage, eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, Daten zur kritischen Masse liegen aber nicht vor.

Kernwaffen

Bei einer Atombombe werden zwei je für sich unterkritische Teilstücke, oder auch z. B. eine unterkritische Hohlkugel, mit Hilfe eines chemischen Sprengsatzes zu einer prompt überkritischen Masse zusammengefügt. Um dabei mit möglichst kleinen Spaltstoffmengen auszukommen, werden verschiedene Techniken eingesetzt:

• Kompression: Durch die chemische Explosion wird das Material sehr schnell zu einer Kugel komprimiert, so dass die Dichteerhöhung zur kritischen Masse führt.

• Neutronenreflektor: Durch einen Neutronenreflektor kann die kritische Masse herabgesetzt werden. Das Gesamtgewicht einer solchen Konstruktion ist jedoch verhältnismäßig hoch.

Kernreaktoren

Auch ein Kernreaktor enthält je nach Größe ein Vielfaches der kritischen Masse an Spaltstoff. Der Spaltstoff ist jedoch räumlich verteilt angeordnet und mit anderen Materialien (Hüllrohren, Kühlmittel, Absorbermaterial) durchsetzt. Eine unkontrollierte Kritikalität wird hier durch mehrere voneinander unabhängige Sicherheitseigenschaften und -einrichtungen verhindert, die (entweder durch Entzug des Moderators oder durch Einbringen von Absorbern) den Reaktor unterkritisch machen können.

Das mögliche Zustandekommen einer kritischen Masse im oben beschriebenen Sinn, also einer genügend großen kompakten Ansammlung von reinem Spaltmaterial, spielt aber bei der Vorsorge gegen schwere Unfälle mit Kernschmelze eine Rolle; neuere Reaktorentwürfe haben, um eine solche Rekritikalität zu verhindern, einen Core Catcher (Kernfänger).