فرا بحرانی: وضعیتی که واکنش زنجیره‌ای به‌صورت انفجاری ادامه می‌یابد

فرا بحرانی (Supercritical): وضعیتی که واکنش زنجیره‌ای به‌صورت انفجاری ادامه می‌یابد

پایه‌ها: از اتم تا واکنش زنجیره‌ای

برای درک حالت فرا بحرانی، ابتدا باید با دنیای کوچک اتم‌ها آشنا شویم. همه مواد از اتم‌ها ساخته شده‌اند. در مرکز هر اتم یک هسته وجود دارد که از ذراتی به نام پروتون⁴ و نوترون⁵ تشکیل شده است. برخی هسته‌های سنگین، مانند اورانیوم-۲۳۵⁶، ناپایدار هستند و می‌توانند شکسته شوند.

وقت یک نوترون آزاد به هسته این اتم ناپایدار برخورد می‌کند، آن را به دو هسته سبک‌تر تقسیم می‌کند. این فرآیند شکافت هسته‌ای⁷ نام دارد. این شکستن دو چیز مهم تولید می‌کند: مقدار بسیار زیادی انرژی و چند نوترون آزاد جدید. حالا اگر این نوترون‌های جدید به هسته‌های ناپایدار دیگر برخورد کنند، آنها را نیز می‌شکنند و نوترون‌های بیشتری آزاد می‌کنند. این چرخه که نوترون‌ها هسته‌ها را می‌شکنند و نوترون‌های بیشتری برای شکستن هسته‌های دیگر ایجاد می‌کنند، یک واکنش زنجیره‌ای⁸ است.

نیروی مخفی: ضریب تکثیر موثر (k)

دانشمندان برای توصیف دقیق سرنوشت یک واکنش زنجیره‌ای، از یک مفهوم عددی کلیدی به نام ضریب تکثیر موثر¹¹ استفاده می‌کنند که آن را با نماد $ k_{eff} $ نشان می‌دهند. این عدد میانگین تعداد نوترون‌هایی را نشان می‌دهد که از شکافت یک هسته، می‌توانند باعث شکافت هسته‌های دیگر شوند. این عدد سه سرنوشت ممکن را رقم می‌زند:

• اگر $ k_{eff} (زیر بحرانی): جمعیت نوترون‌ها مثل جمعیتی که فرزندان کمتری از والدین تولید می‌کنند، کم‌کم منقرض می‌شود و واکنش می‌ایستد.
• اگر $ k_{eff} = 1 $ (بحرانی): جمعیت نوترون‌ها ثابت می‌ماند. به ازای هر نوترونی که مصرف می‌شود، دقیقاً یک نوترون جدید برای ادامه واکنش تولید می‌شود. این حالت ایده‌آل برای یک راکتور نیروگاهی است.
• اگر $ k_{eff} > 1 $ (فرا بحرانی): جمعیت نوترون‌ها به طور تصاعدی رشد می‌کند. مانند ویروسی که هر فرد، چندین فرد جدید را آلوده می‌کند. انرژی با سرعت سرسام‌آوری آزاد می‌شود که اگر کنترل نشود، به انفجار می‌انجامد.

دستیابی به حالت فرا بحرانی نیاز به جرم بحرانی¹² دارد. یعنی باید مقدار کافی از ماده شکافت‌پذیر (مثل اورانیوم-۲۳۵) را در یک فضای کوچک جمع کرد تا احتمال فرار نوترون‌ها قبل از برخورد با هسته دیگر، کم شود و زنجیره بتواند خود را تقویت کند.

فرا بحرانی در طبیعت و فناوری: دو روی یک سکه

حالت فرا بحرانی هم می‌تواند ویرانگر باشد و هم می‌تواند منشأ آفرینش عناصر جهان. تفاوت در کنترل (یا عدم کنترل) این حالت است.

الف) مثال غیرقابل کنترل: بمب هسته‌ای
در یک بمب هسته‌ای، هدف ایجاد یک حالت فرا بحرانی فوق‌العاده سریع و غیرقابل مهار است. با استفاده از مواد منفجره معمولی، دو تکه زیر-بحرانی از اورانیوم یا پلوتونیوم¹³ را با سرعت به هم می‌کوبند تا یک جرم فرا-بحرانی واحد تشکیل دهند. ضریب $ k_{eff} $ به شدت بیشتر از 1 می‌شود و کل واکنش در کسری از ثانیه رخ می‌دهد و انرژی عظیمی را به شکل انفجار، نور و گرما آزاد می‌کند.

ب) مثال کنترل شده: روشن کردن راکتور هسته‌ای
جالب است بدانید که برای راه‌اندازی یک راکتور نیروگاهی برای تولید برق، راکتور را به طور مختصر و کنترل شده در حالت فرا بحرانی قرار می‌دهند تا توان آن را از صفر به سطح مورد نیاز برسانند. این کار با برداشتن تدریجی میله‌های کنترل¹⁴ (که نوترون‌ها را جذب می‌کنند) انجام می‌شود تا $ k_{eff} $ کمی بیشتر از 1 شود. به محض رسیدن به توان مطلوب، میله‌ها تا حدی بازگردانده می‌شوند تا حالت بحرانی پایدار ($ k_{eff} = 1 $) برقرار شود.

ج) مثال کیهانی: انفجار ابرنواختر
در قلب ستاره‌های بسیار پرجرم، هنگامی که سوخت هسته‌ای آنها تمام می‌شود، فشار گرانش¹⁵ لایه‌های بیرونی را به سمت مرکز فرو می‌ریزد. این فروپاشی ناگهانی، دما و چگالی هسته را به حدی بالا می‌برد که باعث شروع یک واکنش زنجیره‌ای سریع و فرا بحرانی از جذب نوترون توسط هسته‌های آهن و ایجاد عناصر سنگین‌تر می‌شود. این فرآیند انرژی عظیمی آزاد می‌کند و منجر به انفجار ستاره به شکل یک ابرنواختر درخشان می‌گردد. بسیاری از عناصر سنگین مثل طلا و نقره در جهان، در همین انفجارهای ابرنواختری فرا بحرانی ساخته شده‌اند.

سؤالات رایج و درک بهتر مفاهیم

پاورقی و واژه‌نامه

¹فرا بحرانی (Supercritical): حالتی که در آن ضریب تکثیر موثر (k) بزرگتر از ۱ باشد و واکنش زنجیره‌ای به سرعت تشدید شود.

²ابرنواختر (Supernova): انفجار نهایی یک ستاره پرجرم.

³بمب هسته‌ای (Nuclear Bomb): سلاحی که انرژی آن از شکافت یا گداز هسته‌ای کنترل‌نشده ناشی می‌شود.

⁴پروتون (Proton): ذره‌ای با بار الکتریکی مثبت در هسته اتم.

⁵نوترون (Neutron): ذره‌ای بدون بار الکتریکی در هسته اتم.

⁶اورانیوم-۲۳۵ (Uranium-235): یک ایزوتوپ ناپایدار و شکافت‌پذیر از عنصر اورانیوم که در راکتورها و سلاح‌های هسته‌ای استفاده می‌شود.

⁷شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission): فرآیند تقسیم یک هسته سنگین به دو یا چند هسته سبک‌تر، همراه با آزادسازی انرژی.

⁸واکنش زنجیره‌ای (Chain Reaction): فرآیندی که در آن محصول یک رویداد (مانند نوترون)، باعث آغاز رویدادهای مشابه بیشتر می‌شود.

⁹زیر بحرانی (Subcritical): حالتی که در آن ضریب تکثیر موثر (k) کمتر از ۱ باشد و واکنش زنجیره‌ای نتواند خود را حفظ کند.

¹⁰بحرانی (Critical): حالتی که در آن ضریب تکثیر موثر (k) دقیقاً برابر ۱ باشد و واکنش با نرخ ثابت ادامه یابد.

¹¹ضریب تکثیر موثر (Effective Multiplication Factor - k_eff): میانگین تعداد نوترون‌های نسل بعدی حاصل از هر نوترونی که باعث شکافت می‌شود.

¹²جرم بحرانی (Critical Mass): حداقل مقدار ماده شکافت‌پذیر مورد نیاز برای حفظ یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای پایدار.

¹³پلوتونیوم (Plutonium): یک عنصر شیمیایی سنگین و رادیواکتیو که در راکتورها و سلاح‌های هسته‌ای استفاده می‌شود.

¹⁴میله‌های کنترل (Control Rods): میله‌هایی از مواد جذب‌کننده نوترون (مثل کادمیوم یا بور) که برای تنظیم سرعت واکنش در راکتور به کار می‌روند.

¹⁵گرانش (Gravity): نیروی جاذبه‌ای که بین تمام اجرام دارای جرم وجود دارد.