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，是核子反应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）	临界质量 （公斤）	临界直径 （厘米）	参考
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]
锫-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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