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。

以下為部分錒系元素在沒有中子反射之下，正常密度之普通球形的臨界質量：

 核素  半衰期（年）  临界质量（公斤）  临界直径（厘米）  参考 鈾-233  159,200  15  11  Nuclear Weapons Design & Materials , The Nuclear Threat Initiative website . 鈾-235  704,000,000  52  17   錼-236  154,000  7  8.7  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. 錼-237   2,144,000  60  18  Chapter 5, Troubles tomorrow? Separated Neptunium 237 and Americium , Challenges of Fissile Material Control （1999）, isis-online.org 鈽-238  87.7  9.04–10.07  9.5–9.9   Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238 , U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information 鈽-239  24,110  10  9.9    鈽-240  6561  40  15   鈽-241  14.3  12  10.5  Amory B. Lovins, Nuclear weapons and power-reactor plutonium , Nature, Vol. 283, No. 5750, pp. 817–823, February 28, 1980 鈽-242  375,000  75–100  19–21   鋂-241  432.2  55–77   20–23   Dias et al. 鋂-242  141  9–14  11–13   鋂-243  7370  180–280  30–35   鋦-243  29.1  7.34–10  10–11  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) 鋦-244  18.1  13.5–30  12.4–16   鋦-245  8500  9.41–12.3  11–12   鋦-246  4760  39–70.1  18–21   鋦-247  15,600,000  6.94–7.06  9.9   锫-247  1380  75.7  11.8-12.2  Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluation of nuclear criticality safety. data and limits for actinides in transport" , p. 16 鉲-249  351  6  9   鉲-251  290  5  8.5   鉲-252  2.6  2.73  6.9  Section 6.0 Nuclear Materials

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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核武器
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原子弹

 参考

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