¿Qué es la masa crítica?

La masa crítica es un concepto que uno encuentra cuando se habla de material nuclear. En resumen, la masa crítica de un material es la cantidad necesaria para que continúe una reacción nuclear una vez que ha comenzado.

Existen diferentes tipos de materiales nucleares, y un tipo se conoce como material fisionable. Los materiales fisibles pueden mantener una reacción una vez que ha comenzado. Como la reacción puede ser sostenida, el material puede usarse para ciertos propósitos. Estos propósitos incluyen la fabricación de armas nucleares y la creación de reactores para generar energía. Los materiales fisibles más utilizados son el uranio 233, el uranio 235 y el plutonio 239. Estos tres materiales cumplen los criterios de un material fisionable, permanecen durante un tiempo razonablemente largo y se pueden encontrar en cantidades lo suficientemente grandes como para que sea práctico usarlos como combustible.

El proceso de una reacción nuclear es algo complejo, pero puede considerarse simplemente como una reacción que crece exponencialmente. En una reacción, un átomo del material fisible, digamos Uranio-235, captura un neutrón a medida que pasa. Esto hace que el átomo se divida en dos átomos más pequeños, y en el proceso lanza dos o tres neutrones más. Estos neutrones luego vuelan y son capturados por otros átomos de uranio-235, que a su vez se dividen y envían dos o tres neutrones más. Todo esto sucede en muy poco tiempo y libera enormes cantidades de energía.

El concepto de masa crítica es importante, porque para que esta reacción continúe y libere grandes cantidades de energía, debe haber suficiente material fisible presente para que pueda continuar. Si no se logra una masa crítica, entonces los neutrones presentes disminuirán con el tiempo, haciendo que una reacción nuclear sea cada vez menos probable con el tiempo. Estrictamente hablando, el término masa crítica se usa para describir el estado de equilibrio en el que hay suficiente material fisible presente para mantener la cantidad de neutrones aproximadamente igual, pero la reacción no genera más. Sin embargo, a menudo, la masa crítica se usa para describir lo que con más precisión se llama masa supercrítica, cuando hay suficiente material presente que los neutrones continúan colisionando con átomos fisibles y liberan más neutrones, generando energía y calor.

Para utilizar material fisionable en un arma nuclear, es obviamente importante que el material se mantenga por debajo de la masa crítica; de lo contrario, la bomba detonaría de inmediato. Por lo general, dos piezas de material se mantienen separadas a una masa subcrítica, y cuando es hora de que la bomba sea detonada, se lanzan juntas muy fuerte y muy rápidamente. Luego crean una masa supercrítica, y la bomba explota. Si no se unen lo suficientemente rápido, primero ocurre una explosión más pequeña y las dos piezas se separan más, de modo que la gran explosión nunca ocurre; esto a menudo se conoce como un fizzle.

La masa crítica es diferente según el material utilizado. En el caso del uranio-233, la masa crítica es de aproximadamente 35 libras (15 kg). En el caso del uranio-235, la masa crítica es de aproximadamente 115 libras (52 kg). Y en el caso del plutonio-239, la masa crítica es de aproximadamente 22 libras (10 kg). Esto puede parecer bastante, pero tenga en cuenta que estos materiales son extremadamente densos. Con la mayoría de los materiales nucleares, una esfera no mucho más grande que una pelota de béisbol alcanzará una masa crítica y causará una enorme explosión.