臨界質量

臨界質量，是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量，是核子反應爐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，核分裂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，核分裂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]
鉳-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」。

相關條目

• 臨界事故
• 核武器
• 濃縮鈾
• 原子彈

參考

1. Nuclear Weapons Design & Materials 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2010-11-05., The Nuclear Threat Initiative website （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
2. Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Republic of France, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.
3. Chapter 5, Troubles tomorrow? Separated Neptunium 237 and Americium （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Challenges of Fissile Material Control （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（1999）, isis-online.org
4. 存档副本. [2015-03-11]. （原始內容存檔於2011-06-06）.
5. Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
6. Amory B. Lovins, Nuclear weapons and power-reactor plutonium （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Nature, Vol. 283, No. 5750, pp. 817–823, February 28, 1980
7. 存档副本 (PDF). [2015-12-11]. （原始內容 (PDF)存檔於2007-07-10）. Dias et al.
8. Hirshi Okuno and Hirumitsu Kawasaki, Technical Report, Critical and Subcritical Mass Calculations for Curium-243 to -247 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2010-09-20., Japan National Institute of Informatics, Reprinted from Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 39, No. 10, p.1072–1085 (October 2002)
9. Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety. data and limits for actinides in transport" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, p. 16
10. [1]Section 6.0 Nuclear Materials