ביקוע האטומים הכבדים ביותר
אורניום הוא היסוד הכבד ביותר שנמצא בטבע בכמויות גדולות, והגרעינים שלו בקושי מחזיקים מעמד. 92 הפרוטונים שלו דוחים זה את זה, ורק הכוח הגרעיני החזק, שטווחו קצר, מחזיק אותם בפנים. בשנת 1938 מצאו אוטו האן ופריץ שטרסמן בריום, יסוד קל בהרבה, באורניום שהפגיזו בנייטרונים. ליזה מייטנר ואוטו פריש הבינו מה קרה: הגרעין התפצל לשניים. הם קראו לכך ביקוע.
נייטרון הוא המפתח המושלם למנעול הזה. אין לו מטען חשמלי, ולכן הגרעין לא דוחה אותו. כשאורניום־235 בולע נייטרון, הוא מתנודד כמו טיפת מים, נצבט באמצע ונקרע לשני גרעינים קטנים יותר, ומשחרר שניים או שלושה נייטרונים חדשים.
מאין באה האנרגיה
השברים שנשארים אחרי ביקוע שוקלים בערך עשירית האחוז פחות מגרעין האורניום והנייטרון שנכנסו. המסה החסרה הפכה לאנרגיה, בכמות שנותנת הנוסחה של איינשטיין, E = mc². מכיוון שמהירות האור בריבוע עצומה, אובדן זעיר של מסה הוא כמות גדולה מאוד של אנרגיה: כ־200 מיליון אלקטרון וולט לכל ביקוע, פי מיליונים יותר מכל תגובה כימית בין שני אטומים. ביקוע מלא של קילוגרם אורניום־235 משחרר בערך אותה אנרגיה כמו שריפה של שלושת אלפים טונות פחם.
תגובת השרשרת
הנייטרונים החדשים יכולים לבקע עוד גרעינים, ואלה משחררים עוד נייטרונים. מה שקובע הוא כמה מהנייטרונים החדשים, בממוצע, גורמים לביקוע נוסף. זהו גורם ההכפלה, k. אם k קטן מ־1, כל שרשרת דועכת. אם k שווה בדיוק ל־1, כל ביקוע מוביל לעוד ביקוע אחד, והתגובה נשארת יציבה. אם k גדול מ־1, מספר הביקועים גדל עם כל דור, ומכיוון שדור יכול להימשך הרבה פחות ממילישנייה, הוא גדל מהר מאוד.
בסצנה, ביקוע משחרר בממוצע 2.5 נייטרונים, וכל אחד מהם צריך לחמוק מהמוטות ולמצוא גרעין בקיע.
נסו: קבעו את דלק בקיע על 50% ואת מוטות בקרה על 20% נבלעים, כך ש־k שווה בדיוק ל־1. בחרו פועל תחת ספירת הנייטרונים. אחר כך הוציאו את המוטות עד הסוף, ל־0%, וצפו בקו מטפס, או הכניסו אותם עד 60% וצפו בשרשראות דועכות.
דלק, מאטים ומוטות בקרה
אורניום טבעי הוא רק כ־0.7% אורניום־235. כמעט כל השאר הוא אורניום־238, שבדרך כלל בולע נייטרון בלי להתבקע. זו הסיבה שהדלק מועשר, לכמה אחוזים ברוב כורי הכוח. נייטרונים מהירים גם אינם יעילים בגרימת ביקוע, ולכן מקיפים בכורים את הדלק במאט, בדרך כלל מים או גרפיט, שמאט את הנייטרונים כשהם מתנגשים בגרעינים קלים וניתזים מהם.
מוטות בקרה, העשויים מחומרים כמו בור או קדמיום, בולעים נייטרונים. הכנסתם מקטינה את k, והוצאתם מגדילה אותו. כור מוחזק ב־k = 1: שרשרת יציבה שהחום שלה מרתיח מים בשביל טורבינה.
מסה קריטית
גוש דלק גם מאבד נייטרונים שדולפים דרך פני השטח שלו. גוש קטן מאבד כל כך הרבה, ש־k נשאר קטן מ־1 בכל מקרה. כשמגדילים את הגוש, פני השטח נעשים קטנים ביחס לנפח, עד שהוא מגיע בדיוק ל־k = 1: זו המסה הקריטית, עשרות קילוגרמים של אורניום־235 חשוף. פצצה מרכיבה יותר מזה ברגע אחד, ולכן k גדול בהרבה מ־1 והאנרגיה משתחררת לפני שהחומר מפוצץ את עצמו לרסיסים.
מה המודל הזה משמיט
נייטרונים אמיתיים נעים בזיגזג, מאטים כשהם ניתזים, ורבים מהם בורחים. כאן ההפסדים האלה כלולים בהגדרות הדלק והמוטות. גרעינים שהתבקעו מתמלאים מחדש בשקט כך שהדלק אף פעם לא נגמר, ומקור קטן שולח פנימה נייטרון מדי פעם. אפשר לשלוט בכור אמיתי בקצב אנושי, בין השאר מפני שחלק קטן מהנייטרונים, הרבה פחות מאחד ממאה, מגיע באיחור של שניות משברים שדועכים. השברים נשארים רדיואקטיביים זמן רב: זו הפסולת הגרעינית.