شرط الحروجة Criticality Condition

يتضح أن الانشطار النووي يتناسب مع عدد الأنوية الانشطارية وبالتالي فإن الانشطار يتناسب مع حجم المادة الانشطارية، وباعتبارها عبارة عن كرة فإن احتمال الانشطار (ومن ثم احتمال إنتاج النيوترونات) يتناسب مع حجم الكرة V أي أن هذا الاحتمال يتناسب مع (R). اما تفاعلات الهرب فتناسب مع مساحة سطح الكرة أو (R²) وبالتالي فإن النسبة بين معدل إنتاج النيوترونات (الانشطار) ومعدل هربها يتناسب مع R أي أن:

ومن ثم فإن محصلة الناتج النيوتروني يتناسب مع نصف قطر الكرة (R)، وحيث أن الانشطار المتسلسل يعتمد على الاتزان بين عدد النيوترونات المتحررة إثر كل اشطار نووي وعدد النيوترونات المتسربة أو الضائعة فإننا نستنتج أن هناك شرطاً يجب توفره لكي يستمر الانشطار المتسلسل بمعدل متزايد أو ثابت. وبالتالي نتحدث عن الحروجة أي أنه عند حجم معين أو كتلة معينة تصبح المنظومة قابلة للانشطار المتسلسل التلقائي المستمر Self - Sustaining Raction ومن ثم يمكن أن نجعل المنظومة ذات حجم (كتلة) حرجة وذلك بزيادة تركيز المادة الانشطارية أو حجم المنظومة. وبلغة الناتج النيوتروني، فإنه كي يتوفر شرط الحروجة فإنه لابد- على الأقل - من أن يكون عدد النيوترونات الناتج عن الانشطار مساوياً لعدد النيوترونات المفقودة أو الممتصة بطريقة أو بأخرى.

أما إذا كان حجم المنظومة أقل من الحجم الحرج فإن الانشطار المتسلسل يتوقف وذلك لأن عدد النيوترونات المفقودة يصبح أكبر من عدد النيوترونات الناتجة عن الانشطار. أما إذا زاد حجم المنظومة عن الحجم الحرج فإن عدد النيوترونات الناتجة يصبح أكبر من عدد النيوترونات المفقودة وبالتالي ينمو هذا العدد باضطراد ويكون الحجم في هذه الحالة أكبر من الحجم الحرج.

وعندما يتساوى عدد النيوترونات الناتجة عن الانشطار مع عدد النيوترونات المفقودة تكون المنظومة حرجة.

يمكن وضع الشروط السابقة بدلالة معامل التضاعف (K_eff) حيث تعبر K عن الاتزان بين عدد النيوترونات الناتجة والمفقودة:

1- في حالة المنظومة الحرجة Critical فإن 1 = K_eff. وفي هذه الحالة نحصل على انشطار متسلسل بمعدل ثابت Steady - state Fission Chain Reaction .

وهذا ما يحدث في المفاعل حيث يتم السيطرة على التفاعل والحصول منه على الطاقة وهذه هي حالة التشغيل.

2- عندما تكون K_eff < 1 فإن المنظومة هنا تسمى تحت حرجة Subcritical وسوف يتوقف الانشطار المتسلسل بالتدريج حيث نجد أن عدد النيوترونات الناتجة عن الانشطار يصبح أقل من عدد النيوترونات المفقودة. ومن ثم فإن كثافة النيوترونات وبالتالي معدل الانشطار يقل تدريجياً إلى أن يتوقف في نهاية الأمر.

3- عندما تكون: 1 < K_eff فإن المنظومة هنا تسمى فوق حرجة Supercritical، في هذه الحالة نجد أن عدد النيوترونات الناتجة من الانشطار يفوق عدد النيوترونات المفقودة إثر كل انشطار مما ينتج عنه تزايد مستمر في عدد النيوترونات ومن ثم في معدل الانشطار النووي الذي يتزايد بمعدل مضطرد. وهنا يجب التحكم في التفاعل قبل أن يتطور الأمر إلى كارثة ويحدث الانفجار النووي. وهذا ما يحدث في القنبلة النووية.