臨界質量，是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量，是核子反應堆和核子武器設計中的一個重要概念。不同的可裂變材料，受核子的性質（如裂變截面）、物理性質、物料形狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等等因素影響，而會有不同的臨界質量。
剛好可以產生連鎖反應的組合，稱為已達「臨界點」。比這樣更多質量的組合，核裂變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，核裂變的速率會隨時間減少，稱之為「次臨界」。
各種光滑球體的臨界質量
能夠以最少的物料到達臨界質量的形狀是球形。如果在四周加以中子反射物料，臨界質量可以更少。有中子反射的球形鈾-235臨界點為15公斤左右。鈈則為10公斤左右。
以下為普通球形，沒有中子反射之下的臨界質量：
| 同位素 | 半衰期 （年） |
臨界質量 （公斤） |
臨界直徑 （厘米） |
參考 |
|---|---|---|---|---|
| 鈾-233 | 159,200 | 15 | 11 | [1] |
| 鈾-235 | 704,000,000 | 52 | 17 | [1] |
| 錼-236 | 154,000 | 7 | 8.7 | [2] |
| 錼-237 | 2,144,000 | 60 | 18 | [3][4] |
| 鈽-238 | 87.7 | 9.04–10.07 | 9.5–9.9 | [5] |
| 鈽-239 | 24,110 | 10 | 9.9 | [1][5] |
| 鈽-240 | 6561 | 40 | 15 | [1] |
| 鈽-241 | 14.3 | 12 | 10.5 | [6] |
| 鈽-242 | 375,000 | 75–100 | 19–21 | [6] |
| 鋂-241 | 432.2 | 55–77 | 20–23 | [7] |
| 鋂-242 | 141 | 9–14 | 11–13 | [7] |
| 鋂-243 | 7370 | 180–280 | 30–35 | [7] |
| 鋦-243 | 29.1 | 7.34–10 | 10–11 | [8] |
| 鋦-244 | 18.1 | 13.5–30 | 12.4–16 | [8] |
| 鋦-245 | 8500 | 9.41–12.3 | 11–12 | [8] |
| 鋦-246 | 4760 | 39–70.1 | 18–21 | [8] |
| 鋦-247 | 15,600,000 | 6.94–7.06 | 9.9 | [8] |
| 錇-247 | 1380 | 75.7 | 11.8-12.2 | [9] |
| 鉲-249 | 351 | 6 | 9 | [2] |
| 鉲-251 | 290 | 5 | 8.5 | [2] |
| 鉲-252 | 2.6 | 2.73 | 6.9 | [10] |
純度較低的鈾，臨界質量會有所增加。例如20%的鈾-235，以4厘米厚的鈹反射中子臨界質量達400公斤。若如果純度只為15%，臨界質量更高達600公斤。
核武器設計
核子武器在引爆以前必須維持在次臨界。以鈾核彈為例，可以把鈾分成數大塊，每塊質量維持在臨界以下。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「胖子」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」。
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參考
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