臨界質量（Critical Mass）

臨界質量（Critical Mass）
國立彰化高級中學物理科李明中老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

在一定的材料成分和幾何佈置下，維持核分裂連鎖反應，所需的核分裂材料質量的最小值，稱為臨界質量。

核分裂時第二代與第一代中子數的比，稱之為增值係數。少量的核分裂材料由於絕大多數中子逃逸了，故不能維持連鎖反應。當增值係數等於一時稱為臨界，此時核分裂材料的質量即為臨界質量。

任何由核分裂物質組成的系統，只有當它的質量達到或超過臨界質量時，才能產生連鎖反應。系統的臨界質量與許多因素相關，如核分裂材料的種類（例如：鈾235和鈽239和鈾233等）及濃度，減速劑材料（例如：水、重水和碳等）的性質、系統內各種材料所占的比例、系統外圍中子反射層的材料及其厚度、是否有中子吸收劑、系統內各種材料的幾何排列和系統的形狀（例如：球形、圓柱形或長方形）等等因素影響。

剛好可能以產生連鎖反應的組合，稱為已達「臨界點」。比臨界點具有更多質量的組合，核反應的速率會以指數增長，稱為「超臨界」。如果組合能夠在沒有延遲放出中子之下，進行連鎖反應，這種臨界被稱為「即發臨界」，是超臨界的一種。即發臨界組合會產生核爆炸。如果組合比臨界點小，核分裂會隨時間減少，稱之為「次臨界」。

降低臨界質量有多種方法：
（一）用中子反射層作為包覆材料，把核分裂材料包起來，以使一部分向外逃逸的中子反射回核分裂材料中，增加了中子數量，以轟擊重核。中子反射層可使核分裂材料的臨界質量減小到原來的1/3至1/2，也就是在正常密度下，鈾235和鈽239的臨界質量可分別減至13～15和5～10公斤。
（二）壓縮核分裂材料，增加其密度。臨界質量近似與密度平方的倒數成正比。
（三）巧妙的結構設計，使核分裂材料發揮最大作用。

費米最先發現超臨界組合，不一定同時是超過即發臨界。他的發現開展了受控制的連鎖反應的研究，後來發展的核子反應堆及核能都是出於這一發現。

核子武器在引爆以前，必須維持在次臨界。以鈾原子彈為例，可以把鈾分成數大塊，每塊質量維持在臨界點以下。引爆時把鈾塊迅速結合。投擲在廣島的「小男孩」原子彈，是把一小塊的鈾，透過鎗管射向另一大塊鈾上，造成足夠的質量。這種設計稱為「鎗式」。 鈽核彈不能以這種方法引爆。第一枚鈽原子彈「胖男人」的鈽，是造成一個在次臨界以下的中空球狀，引爆時使用包圍在四周的炸藥把鈽擠壓，增加密度及減少空間，造成即發臨界。這種設計稱為「內爆式」。

核融合反應的連鎖並不是由質量決定，主要是由溫度決定，這是一個環境的問題。如果核融合內部不能達到那種高溫，則核融合就會停止。所以核融合反應沒有臨界質量。

參考資料：
1.維基百科–臨界質量  http://zh.wikipedia.org/zh-tw/臨界質量