Den kritiska massan av ett material är den mängd som behövs för att det ska fortsätta en kärnreaktion när den väl har börjat.
Det finns olika typer av kärnmaterial, och en typ är känd som ett klyvbart material. Klyvbart material kan upprätthålla en reaktion när den väl har börjat. Eftersom reaktionen kan upprätthållas kan materialet användas för vissa ändamål. Dessa syften inkluderar tillverkning av kärnvapen och att skapa reaktorer för att generera energi. De mest använda klyvbara materialen är Uranium-233, Uranium-235 och Plutonium-239. Dessa tre material uppfyller kriterierna för ett klyvbart material, stannar kvar ganska länge och kan hittas i tillräckligt stora mängder för att göra det praktiskt att använda dem som bränsle.
Processen för en kärnreaktion är något komplex, men den kan helt enkelt ses som en reaktion som växer exponentiellt. I en reaktion fångar en atom av det klyvbara materialet – låt oss säga Uranium-235 – en neutron när den rör sig förbi. Detta gör att atomen delas i två mindre atomer, och i processen avfyras två eller tre neutroner till. Dessa neutroner flyger sedan iväg och fångas upp av andra atomer av Uranium-235, som i sin tur delar sig och skickar iväg två eller tre neutroner till. Allt detta händer på väldigt, väldigt kort tid och frigör enorma mängder energi.
Detta koncept är viktigt, för för att denna reaktion ska fortsätta och frigöra enorma mängder energi måste det finnas tillräckligt med klyvbart material för att det ska kunna fortsätta. Om kritisk massa inte uppnås kommer de närvarande neutronerna att minska övertid, vilket gör en kärnreaktion mindre och mindre sannolik över tiden. Strängt taget används termen kritisk massa för att beskriva jämviktstillståndet där det finns tillräckligt med klyvbart material för att hålla mängden neutroner ungefär densamma, men reaktionen genererar inte mer. Ofta används dock denna term för att beskriva vad som mer exakt kallas superkritisk massa, när tillräckligt mycket av materialet finns närvarande för att neutroner fortsätter att kollidera med klyvbara atomer och frigör fler neutroner, genererar energi och värme.
För att använda klyvbart material i ett kärnvapen är det självklart viktigt att materialet hålls under kritisk massa — annars skulle bomben detonera omedelbart. Vanligtvis hålls två materialbitar isär vid subkritisk massa, och när det är dags för bomben att detoneras, kastas de ihop mycket hårt och mycket snabbt. De skapar sedan en superkritisk massa, och bomben exploderar. Om de inte slängs ihop tillräckligt snabbt, inträffar först en mindre explosion och blåser de två delarna längre isär, så att den stora explosionen aldrig inträffar – detta kallas ofta för ett brus.
Kritisk massa är olika beroende på vilket material som används. I fallet med Uranium-233 är det cirka 35 pund (15 kg). I fallet med Uranium-235 är den kritiska massan cirka 115 pund (52 kg). Och i fallet med Plutonium-239, är det cirka 22 pund (10 kg).