Massa critica (fisica)

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Una sfera (simulata) di plutonio circondata da un riflettore di neutroni di carburo di tungsteno.

La massa critica di un materiale fissile è la quantità di tale materiale necessaria affinché una reazione nucleare a catena possa autosostenersi. In questa condizione, detta di criticità, il naturale decadimento radioattivo del materiale determina l'avvio spontaneo di una reazione a catena che si autosostenta, con conseguente emissioni di radiazioni ionizzanti. La sottovalutazione di questo fondamentale principio di fisica nucleare ed il non rispetto delle norme di sicurezza da esso derivanti sono stati alla base dell'incidente di criticità avvenuto in una fabbrica di combustibile nucleare a Tokaimura in Giappone.^[1] Pur profilandosi come una circostanza estremamente rara, una particolare conformazione geologica e infiltrazioni di acqua ha potuto determinare la criticità di un giacimento, come avvenuto^[2] milioni di anni fa in una miniera di uranio situata nella zona del fiume Oklo, nel Gabon. Questa circostanza non è più possibile con le attuali concentrazione di uranio 235 nell'uranio naturale, bassa concentrazione che non permette una configurazione critica con la presenza di acqua come moderatore dei neutroni.

La massa critica di un materiale fissile dipende naturalmente dalle proprietà nucleari (per esempio la sezione d'urto per la fissione), e dalle proprietà fisiche (in particolare la densità), la forma, e la purezza (materiali impuri contengono assorbitori neutronici). Circondare del materiale fissile con un riflettore di neutroni riduce la massa necessaria, mentre miscelare al fissile un assorbitore neutronico la fa aumentare: infatti il riflettore diminuisce le fughe di neutroni verso l'esterno, mentre l'assorbitore riduce il numero di neutroni disponibili per la reazione a catena.

Un reattore nucleare in cui la reazione a catena può manifestarsi in condizioni stazionarie è chiamato critico, e si dice di aver ottenuto la criticità. In un tale complesso, senza un nuovo ingresso di neutroni, per esempio da una fissione spontanea, la reazione si sostiene da sola, e nel caso nel sistema vengano introdotti neutroni da una sorgente esterna, il tasso di reazione (fissioni per unità di tempo) aumenta linearmente. Un reattore che ha una costante di moltiplicazione effettiva maggiore di 1 è chiamato supercritico. Un reattore in cui dopo un impulso neutronico la reazione si propaga in maniera incontrollata è chiamato supercritico. In un reattore supercritico il tasso di reazione cresce esponenzialmente nel tempo. Un reattore si dice prontocritico quando può sostenere una reazione a catena col solo contributo dei neutroni pronti (i neutroni si dividono in pronti – emessi in seguito alla fissione – e ritardati).

Se il complesso è meno che critico, allora con un costante ingresso di nuovi neutroni liberi la reazione può arrivare ad uno stato costante, e il complesso si dice subcritico.

La dimostrazione che un complesso supercritico non è necessariamente un prontocritico è attribuita a Enrico Fermi, e consente la costruzione di reattori nucleari usando una reazione a catena di fissione. Ogni complesso prontocritico è destinato ad esplodere se non è portato rapidamente sotto la criticità pronta.