Materiaalin kriittinen massa on se määrä, joka tarvitaan ydinreaktion jatkamiseen sen alkamisen jälkeen.
Ydinmateriaaleja on erilaisia, ja yksi tyyppi tunnetaan halkeamiskelpoisena materiaalina. Halkeavat materiaalit kykenevät ylläpitämään reaktion sen alkaessa. Koska reaktiota voidaan jatkaa, materiaalia voidaan käyttää tiettyihin tarkoituksiin. Näihin tarkoituksiin kuuluu ydinaseiden valmistus ja reaktorien luominen energian tuottamiseksi. Yleisimmin käytettävät halkeamismateriaalit ovat uraani-233, uraani-235 ja plutonium-239. Nämä kolme materiaalia täyttävät halkeamiskelpoisen materiaalin kriteerit, pysyvät kohtuullisen pitkään ja niitä löytyy riittävän suuria määriä, jotta niitä voidaan käyttää polttoaineena.
Ydinreaktion prosessi on hieman monimutkainen, mutta sitä voidaan tarkastella yksinkertaisesti eksponentiaalisesti kasvavana reaktiona. Reaktiossa halkeamiskelpoisen materiaalin atomi-sanokaamme uraani-235-vangitsee neutronin sen kulkiessa ohi. Tämä saa atomin jakautumaan kahteen pienempään atomiin ja laukaisee prosessissa vielä kaksi tai kolme neutronia. Nämä neutronit lentävät sitten ja sieppaavat muut Uranium-235-atomit, jotka puolestaan jakautuvat ja lähettävät pois kaksi tai kolme neutronia lisää. Kaikki tämä tapahtuu hyvin, hyvin pienessä ajassa ja vapauttaa valtavia määriä energiaa.
Tämä käsite on tärkeä, koska jotta tämä reaktio jatkuisi ja vapauttaisi valtavia määriä energiaa, läsnä on oltava riittävästi halkeamiskelpoista materiaalia, jotta se voi jatkua. Jos kriittistä massaa ei saavuteta, läsnä olevat neutronit vähenevät ylitöitä, mikä tekee ydinreaktion yhä vähemmän todennäköiseksi ajan myötä. Tarkkaan ottaen termiä kriittinen massa käytetään kuvaamaan tasapainoa, jossa on riittävästi halkeamiskelpoista materiaalia, jotta neutronien määrä pysyy suunnilleen samana, mutta reaktio ei tuota enemmän. Usein tätä termiä käytetään kuitenkin kuvaamaan sitä, mitä tarkemmin kutsutaan superkriittiseksi massaksi, kun materiaalia on riittävästi, jotta neutronit törmäävät edelleen halkeamiskelpoisiin atomiin ja vapauttavat enemmän neutroneja, tuottavat energiaa ja lämpöä.
Halkeamiskelpoisen materiaalin käyttämiseksi ydinaseessa on tietenkin tärkeää, että materiaali pidetään kriittisen massan alapuolella – muuten pommi räjähtää välittömästi. Yleensä kaksi materiaalia pidetään erillään alikriittisestä massasta, ja kun on aika pommi räjäyttää, ne heitetään yhteen kovaa ja hyvin nopeasti. Sitten ne muodostavat superkriittisen massan ja pommi räjähtää. Jos niitä ei heitetä yhteen riittävän nopeasti, pienempi räjähdys tapahtuu ensin ja puhaltaa kaksi kappaletta kauemmas toisistaan, joten suurta räjähdystä ei koskaan tapahdu – tätä kutsutaan usein tärähdykseksi.
Kriittinen massa vaihtelee käytettävän materiaalin mukaan. Uraani-233: n tapauksessa se on noin 35 kiloa (15 kg). Uraani-235: n kriittinen massa on noin 115 kiloa. Ja Plutonium-52: n tapauksessa se on noin 239 kiloa.