هسته ی مواد رادیو اکتیو می توانند با دریافت یک نوترون شکافته شده ومقادیرزیادی انرژی آزاد کنند.
اما چون بیشتر فضای اتم فضای خالی است بنابراین نوترونی که به سمت یک جرم معین از ماده ی رادیواکتیو حرکت می کند با احتمال بسیار کمی ممکن است به هسته برخورد کند.اورانیم ۲۳۵ یک ماده ی رادیو اکتیو است که با جذب یک نوترون به اورانیم ۲۳۶ برانگیخته تبدیل می شود این ماده سریعا شکافته شده و تبدیل به باریم +کریپتون+سه نوترون می شود.حال می توانیم از نوترونهای ایجاد شده برای شکافتن بقیه ی هسته های اورانیوم ۲۳۵ استفاده کنیم اما برای استفاده از این نوترونها یک مشکل وجود دارد.
چون ابعاد هسته ی اتم بسیار بسیار کوچک تر از خود اتم است پس نوترون معمولا از این فضای آزاد عبور کرده از داخل ماده رادیو اکتیو خارج می شود و نمی تواند در واکنش شرکت کند.بنابراین جرم بحرانی به صورت زیر تعریف می شود.
كمترین جرمی از ماده رادیو اكتیو است كه در آن نوترونها پیش از آن كه از آن جرم خارج شوند در زمان كوتاه به هسته‌ای دیگر برخورد نمایند و برای هر شكافت ؛ به طور متوسط یك شكافت دیگر ایجاد گردد .
جرم بحرانی به نوع ماده رادیو اكتیو ؛ درجه خلوص و شكل نمونه‌ای كه از آن خواهیم ساخت بستگی دارد .
به زبان ساده تر می توان گفت که جرم بحرانی جرمی از یک ماده ی رادیو اکتیو است که برای هر شکافت حداقل یکی از نوترونهای آزاد شده باعث ایجاد یک شکافت جدید شود.
جرم بحرانی مواد رادیو اکتیو معمولا زیاد است.
برای این كه جرم بحرانی با كمترین مقدار ممكن تهیه شود باید كمترین سطح را با جرم معین ایجاد كنیم . یعنی ماده ی رادیو اکتیو را به شکل كره بسازیم.(لازم به یادآوری است که یک ماده زمانی کمترین سطح را دارد که به شکل کره ساخته شود یعنی هر شکل دیگر ی که باشدسطح جسم بیشتر از سطح کره می شود .همچنین کره دارای کمترین سطح وکمترین انرژی می باشد به عنوان مثال حباب شکل کره دارد زیرا کمترین انرژی را دارد پس پایدار تر است) چون حجم عمده اتم فضای خالی است . هنگام شكافت هر هسته لازم است نوترون های حاصل به طور میانگین مسافتی در حدود 5 تا 7 سانتیمتر را درون میلیاردها اتم بپیمایند تا به هسته دیگری برخورد كنند و سبب شكافت شوند . مثلاً اگر حدود 2 كیلو گرم اورانیوم 235 را به شكل كروی در آوریم شعاع آن حدود 3 سانتیمتر خواهد بود . و نوترونها اغلب ( بدون آن كه باعث شكافت بعدی شوند ) از آن خارج می شوند .
معمولاً در اطراف گوی از پوشش فلزی چگال ( كه باز تابنده نام دارد ) استفاده می‌شود تا نوترونها را به درون گوی باز گرداند همچنین از انبساط و گسترش هسته شكافت جلوگیری شود . در این صورت به جرم كمتری نیاز خواهد بود .
جرم بحرانی اورانیوم 235 در شرایط مناسب حدود 900 گرم و برای پلوتونیوم 239 ؛ جرم بحرانی 283 گرم است .
اگر به طور متوسط بیش از یك نوترون آزاد به هسته های دیگر اورانیوم 235 برخورد كند و موجب شكافت آن گردد جرم اورانیوم را فوق بحرانی گوییم . در این حالت واكنش شكافت از كنترل خارج می شود و دما به سرعت بالا می رود و انفجار رخ خواهد داد .
به عنوان مثال اولین بمب اتم ساخه شده دو قطعه ۲۵ کیلو گرمی از اورانیم ۲۳۵بود که جدا از هم داخل یک استوانه ای شیشه ای روبروی هم قرار دارند با برخورد بمب به زمین استوانه ی شیشه ای شکسته شده و دو قطعه به هم می چسبند از طرفی جرم فوق بحرانی اورانیم ۵۰ کیلو گرم است پس واکنش از کنترل خارج شده و بمب منفجر می شود.البته باید دقت کرد که فقط در صد ناچیزی از جرم طبق فرمولE=mc[SUP]2 [/SUP]به انرژی تبدیل می شود وبیشتر آن به پاره های شکاف (باریم و کریپتون)تبدیل می شود.
اگر به طور متوسط كمتر از یك نوترون آزاد به هسته اورانیوم 235 برخورد و موجب شكافت آن گردد جرم اورانیوم زیر بحرانی است و این شكافت القایی در نهایت متوقف می گردد .
علت عدم انفجار در معادن اورانیوم نیز ؛ فراهم نبودن جرم بحرانی و از طرفی پایین بودن درجه خلوص اورانیوم 235 در معادن می باشد .
با این وجود در یك مورد در معادن اوكلو در كشور گابن در غرب آفریقا فرآورده‌هایی از شكافت اورانیوم 235 یافت شده‌اند كه نشان می دهند در حدود دو میلیون سال پیش اورانیوم 235 در آن معدن خود به خود به حد بحرانی رسیده است .
در داخل راکتورها باید واکنش کنترل شود تا انفجار ایجاد نشود.بنابراین از فلزهای سنگین (مانند زیرکنیوم)به عنوان غلاف سوخت استفاده می کنند تا نوترونهای اضافی را جذب کرده ومانع از شرکت آنها در واکنش شوند.البته از آب سنگین نیز استفاده می کنند.
اما چون بیشتر فضای اتم فضای خالی است بنابراین نوترونی که به سمت یک جرم معین از ماده ی رادیواکتیو حرکت می کند با احتمال بسیار کمی ممکن است به هسته برخورد کند.اورانیم ۲۳۵ یک ماده ی رادیو اکتیو است که با جذب یک نوترون به اورانیم ۲۳۶ برانگیخته تبدیل می شود این ماده سریعا شکافته شده و تبدیل به باریم +کریپتون+سه نوترون می شود.حال می توانیم از نوترونهای ایجاد شده برای شکافتن بقیه ی هسته های اورانیوم ۲۳۵ استفاده کنیم اما برای استفاده از این نوترونها یک مشکل وجود دارد.
چون ابعاد هسته ی اتم بسیار بسیار کوچک تر از خود اتم است پس نوترون معمولا از این فضای آزاد عبور کرده از داخل ماده رادیو اکتیو خارج می شود و نمی تواند در واکنش شرکت کند.بنابراین جرم بحرانی به صورت زیر تعریف می شود.
كمترین جرمی از ماده رادیو اكتیو است كه در آن نوترونها پیش از آن كه از آن جرم خارج شوند در زمان كوتاه به هسته‌ای دیگر برخورد نمایند و برای هر شكافت ؛ به طور متوسط یك شكافت دیگر ایجاد گردد .
جرم بحرانی به نوع ماده رادیو اكتیو ؛ درجه خلوص و شكل نمونه‌ای كه از آن خواهیم ساخت بستگی دارد .
به زبان ساده تر می توان گفت که جرم بحرانی جرمی از یک ماده ی رادیو اکتیو است که برای هر شکافت حداقل یکی از نوترونهای آزاد شده باعث ایجاد یک شکافت جدید شود.
جرم بحرانی مواد رادیو اکتیو معمولا زیاد است.
برای این كه جرم بحرانی با كمترین مقدار ممكن تهیه شود باید كمترین سطح را با جرم معین ایجاد كنیم . یعنی ماده ی رادیو اکتیو را به شکل كره بسازیم.(لازم به یادآوری است که یک ماده زمانی کمترین سطح را دارد که به شکل کره ساخته شود یعنی هر شکل دیگر ی که باشدسطح جسم بیشتر از سطح کره می شود .همچنین کره دارای کمترین سطح وکمترین انرژی می باشد به عنوان مثال حباب شکل کره دارد زیرا کمترین انرژی را دارد پس پایدار تر است) چون حجم عمده اتم فضای خالی است . هنگام شكافت هر هسته لازم است نوترون های حاصل به طور میانگین مسافتی در حدود 5 تا 7 سانتیمتر را درون میلیاردها اتم بپیمایند تا به هسته دیگری برخورد كنند و سبب شكافت شوند . مثلاً اگر حدود 2 كیلو گرم اورانیوم 235 را به شكل كروی در آوریم شعاع آن حدود 3 سانتیمتر خواهد بود . و نوترونها اغلب ( بدون آن كه باعث شكافت بعدی شوند ) از آن خارج می شوند .
معمولاً در اطراف گوی از پوشش فلزی چگال ( كه باز تابنده نام دارد ) استفاده می‌شود تا نوترونها را به درون گوی باز گرداند همچنین از انبساط و گسترش هسته شكافت جلوگیری شود . در این صورت به جرم كمتری نیاز خواهد بود .
جرم بحرانی اورانیوم 235 در شرایط مناسب حدود 900 گرم و برای پلوتونیوم 239 ؛ جرم بحرانی 283 گرم است .
اگر به طور متوسط بیش از یك نوترون آزاد به هسته های دیگر اورانیوم 235 برخورد كند و موجب شكافت آن گردد جرم اورانیوم را فوق بحرانی گوییم . در این حالت واكنش شكافت از كنترل خارج می شود و دما به سرعت بالا می رود و انفجار رخ خواهد داد .
به عنوان مثال اولین بمب اتم ساخه شده دو قطعه ۲۵ کیلو گرمی از اورانیم ۲۳۵بود که جدا از هم داخل یک استوانه ای شیشه ای روبروی هم قرار دارند با برخورد بمب به زمین استوانه ی شیشه ای شکسته شده و دو قطعه به هم می چسبند از طرفی جرم فوق بحرانی اورانیم ۵۰ کیلو گرم است پس واکنش از کنترل خارج شده و بمب منفجر می شود.البته باید دقت کرد که فقط در صد ناچیزی از جرم طبق فرمولE=mc[SUP]2 [/SUP]به انرژی تبدیل می شود وبیشتر آن به پاره های شکاف (باریم و کریپتون)تبدیل می شود.
اگر به طور متوسط كمتر از یك نوترون آزاد به هسته اورانیوم 235 برخورد و موجب شكافت آن گردد جرم اورانیوم زیر بحرانی است و این شكافت القایی در نهایت متوقف می گردد .
علت عدم انفجار در معادن اورانیوم نیز ؛ فراهم نبودن جرم بحرانی و از طرفی پایین بودن درجه خلوص اورانیوم 235 در معادن می باشد .
با این وجود در یك مورد در معادن اوكلو در كشور گابن در غرب آفریقا فرآورده‌هایی از شكافت اورانیوم 235 یافت شده‌اند كه نشان می دهند در حدود دو میلیون سال پیش اورانیوم 235 در آن معدن خود به خود به حد بحرانی رسیده است .
در داخل راکتورها باید واکنش کنترل شود تا انفجار ایجاد نشود.بنابراین از فلزهای سنگین (مانند زیرکنیوم)به عنوان غلاف سوخت استفاده می کنند تا نوترونهای اضافی را جذب کرده ومانع از شرکت آنها در واکنش شوند.البته از آب سنگین نیز استفاده می کنند.