临界质量，是指维持核子连锁反应所需的裂变材料质量，是核子反应堆和核子武器设计中的一个重要概念。不同的可裂变材料，受核子的性质（如裂变横切面）、物理性质、物料型状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等等因素影响，而会有不同的临界质量。
刚好可以产生连锁反应的组合，称为已达“临界点”。比这样更多质量的组合，核裂变的速率会以指数增长，称为“超临界”。如果组合能够在没有延迟放出中子之下进行连锁反应，这种临界被称为“即发临界”，是超临界的一种。即发临界组合会产生核爆炸。如果组合比临界点小，核裂变的速率会随时间减少，称之为“次临界”。
各种光滑球体的临界质量
能够以最少的物料到达临界质量的形状是球形。如果在四周加以中子反射物料，临界质量可以更少。有中子反射的球形铀-235临界点为15公斤左右。钚则为10公斤左右。
以下为普通球形，没有中子反射之下的临界质量：
| 同位素 | 半衰期 （年） |
临界质量 （公斤） |
临界直径 （厘米） |
参考 |
|---|---|---|---|---|
| 铀-233 | 159,200 | 15 | 11 | [1] |
| 铀-235 | 704,000,000 | 52 | 17 | [1] |
| 镎-236 | 154,000 | 7 | 8.7 | [2] |
| 镎-237 | 2,144,000 | 60 | 18 | [3][4] |
| 钚-238 | 87.7 | 9.04–10.07 | 9.5–9.9 | [5] |
| 钚-239 | 24,110 | 10 | 9.9 | [1][5] |
| 钚-240 | 6561 | 40 | 15 | [1] |
| 钚-241 | 14.3 | 12 | 10.5 | [6] |
| 钚-242 | 375,000 | 75–100 | 19–21 | [6] |
| 镅-241 | 432.2 | 55–77 | 20–23 | [7] |
| 镅-242 | 141 | 9–14 | 11–13 | [7] |
| 镅-243 | 7370 | 180–280 | 30–35 | [7] |
| 锔-243 | 29.1 | 7.34–10 | 10–11 | [8] |
| 锔-244 | 18.1 | 13.5–30 | 12.4–16 | [8] |
| 锔-245 | 8500 | 9.41–12.3 | 11–12 | [8] |
| 锔-246 | 4760 | 39–70.1 | 18–21 | [8] |
| 锔-247 | 15,600,000 | 6.94–7.06 | 9.9 | [8] |
| 锫-247 | 1380 | 75.7 | 11.8-12.2 | [9] |
| 锎-249 | 351 | 6 | 9 | [2] |
| 锎-251 | 290 | 5 | 8.5 | [2] |
| 锎-252 | 2.6 | 2.73 | 6.9 | [10] |
纯度较低的铀，临界质量会有所增加。例如20%的铀-235，以4厘米厚的铍反射中子临界质量达400公斤。若如果纯度只为15%，临界质量更高达600公斤。
核武器设计
核子武器在引爆以前必须维持在次临界。以铀核弹为例，可以把铀分成数大块，每块质量维持在临界以下。引爆时把铀块迅速结合。投掷在广岛的“小男孩”原子弹是把一小块的铀透过枪管射向另一大块铀上，造成足够的质量。这种设计称为“枪式”。钚核弹不能以这种方法引爆。第一枚钚原子弹“胖子”的钚是造成一个在次临界以下的中空球状。引爆时使用包围在四周的炸药把钚挤压，增加密度及减少空间，造成即发临界。这种设计称为“内爆式”。
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参考
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 Nuclear Weapons Design & Materials , The Nuclear Threat Initiative website .
- ↑ 2.0 2.1 2.2 Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport , Republic of France, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.
- ↑ Chapter 5, Troubles tomorrow? Separated Neptunium 237 and Americium , Challenges of Fissile Material Control （1999）, isis-online.org
- ↑ 存档副本. [2015-03-11].
- ↑ 5.0 5.1 Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238 , U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
- ↑ 6.0 6.1 Amory B. Lovins, Nuclear weapons and power-reactor plutonium , Nature, Vol. 283, No. 5750, pp. 817–823, February 28, 1980
- ↑ 7.0 7.1 7.2 存档副本 (PDF). [2015-12-11]. Dias et al.
- ↑ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 Hirshi Okuno and Hirumitsu Kawasaki, Technical Report, Critical and Subcritical Mass Calculations for Curium-243 to -247 , Japan National Institute of Informatics, Reprinted from Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 39, No. 10, p.1072–1085 (October 2002)
- ↑ Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety. data and limits for actinides in transport" , p. 16
- ↑ [1]Section 6.0 Nuclear Materials