A massa mínima de um isótopo fissionável no qual uma reação nuclear em cadeia pode ocorrer é conhecida como massa crítica. A massa crítica depende de vários fatores, incluindo o isótopo específico, a forma física do material e o ambiente circundante.

Os nêutrons são necessários para sustentar uma reação nuclear em cadeia. Quando um nêutron atinge um núcleo físsil, ele pode dividir o núcleo em dois núcleos menores, liberando nêutrons e energia adicionais. Esses nêutrons recém-liberados podem então dividir outros núcleos, criando uma reação em cadeia.

Para que ocorra uma reação em cadeia, deve haver material físsil suficiente para garantir que os nêutrons produzidos em cada evento de fissão causarão, em média, pelo menos uma fissão adicional. Se houver pouco material, muitos nêutrons escaparão da amostra e a reação em cadeia não será sustentada.

A massa crítica para um isótopo físsil específico é determinada por vários fatores, incluindo:

- Isótopo: Diferentes isótopos físseis têm diferentes massas críticas. Por exemplo, a massa crítica do urânio-235 é de cerca de 52 quilogramas, enquanto a massa crítica do plutônio-239 é de cerca de 10 quilogramas.
- Forma física: A forma física do material físsil também afeta a massa crítica. Uma esfera ou cilindro compacto de material físsil tem uma massa crítica menor do que a mesma quantidade de material espalhado em uma camada fina.
- Ambiente envolvente: O ambiente circundante também pode afetar a massa crítica. Por exemplo, a presença de um refletor de nêutrons, como água ou berílio, pode reduzir a massa crítica de um conjunto físsil.

A massa crítica é uma consideração importante no projeto de reatores nucleares e armas nucleares. Num reator nuclear, o material físsil é cuidadosamente controlado para garantir que a reação em cadeia seja sustentada sem sair do controle. Numa arma nuclear, o material físsil é rapidamente reunido para atingir uma massa crítica, o que desencadeia uma explosão nuclear.