Kritična masa materijala je količina koja je potrebna da nastavi nuklearnu reakciju nakon što je započela.
Postoje različite vrste nuklearnih materijala, a jedna vrsta je poznata kao fisijski materijal. Fisijski materijali su sposobni održati reakciju nakon što je započela. Budući da se reakcija može održati, materijal se može koristiti u određene svrhe. Te svrhe uključuju izradu nuklearnog oružja i stvaranje reaktora za proizvodnju energije. Najrasprostranjeniji fisijski materijali su Uran-233, Uran-235 i Plutonij-239. Ova tri materijala zadovoljavaju kriterije materijala koji se cijepa, ostaju u blizini razumno dugo vremena i mogu se naći u dovoljno velikim količinama da bi ih bilo praktično koristiti kao gorivo.
Proces nuklearne reakcije je donekle složen, ali se može promatrati jednostavno kao reakcija koja raste eksponencijalno. U reakciji, atom fisivnog materijala – recimo urana-235 – hvata neutron dok se kreće. To uzrokuje da se atom podijeli na dva manja atoma, i pri tome lansira još dva ili tri neutrona. Ti neutroni tada odlijeću i zarobljavaju ih drugi atomi Urana-235, koji se zauzvrat dijele i šalju još dva ili tri neutrona. Sve se to događa u vrlo, vrlo malom vremenu, i oslobađa ogromne količine energije.
Ovaj koncept je važan, jer da bi se ova reakcija nastavila i oslobodila ogromne količine energije, mora postojati dovoljno fisijskog materijala da se može nastaviti. Ako se kritična masa ne postigne, tada će se prisutni neutroni s vremenom smanjiti, čineći nuklearnu reakciju sve manje vjerojatnom tijekom vremena. Strogo govoreći, pojam kritične mase koristi se za opisivanje stanja ravnoteže u kojem postoji dovoljno fisibilnog materijala da zadrži količinu neutrona otprilike istom, ali reakcija ne stvara više. Često se, međutim, ovaj izraz koristi za opisivanje onoga što se točnije naziva superkritičnom masom, kada je prisutno dovoljno materijala da se neutroni nastavljaju sudarati s fisijskim atomima i oslobađaju više neutrona, stvarajući energiju i toplinu.
Za korištenje fisijskog materijala u nuklearnom oružju, očito je važno da se materijal drži ispod kritične mase – inače bi bomba odmah detonirala. Obično se dva komada materijala drže odvojeno na subkritičnoj masi, a kada dođe vrijeme za detonaciju bombe, oni se vrlo snažno i vrlo brzo bacaju zajedno. Zatim stvaraju superkritičnu masu i bomba eksplodira. Ako se ne skupe dovoljno brzo, tada se najprije dogodi manja eksplozija i raznese dva dijela dalje, tako da se velika eksplozija nikada ne dogodi – to se često naziva fizzle.
Kritična masa je različita ovisno o materijalu koji se koristi. U slučaju Urana-233, to je oko 35 funti (15 kg). U slučaju Urana-235, kritična masa je oko 115 funti (52 kg). A u slučaju plutonija-239, to je oko 22 funte (10 kg).