La masse critique d’un matériau est la quantité nécessaire pour qu’il poursuive une réaction nucléaire une fois qu’elle a commencé.
Il existe différents types de matières nucléaires, et un type est connu sous le nom de matière fissile. Les matières fissiles sont capables d’entretenir une réaction une fois qu’elle a commencé. Puisque la réaction peut être entretenue, le matériau peut être utilisé à certaines fins. Ces objectifs comprennent la fabrication d’armes nucléaires et la création de réacteurs pour produire de l’énergie. Les matières fissiles les plus utilisées sont l’uranium-233, l’uranium-235 et le plutonium-239. Ces trois matières répondent aux critères d’une matière fissile, restent assez longtemps et peuvent être trouvées en quantités suffisamment importantes pour rendre leur utilisation comme combustible pratique.
Le processus d’une réaction nucléaire est quelque peu complexe, mais il peut être considéré simplement comme une réaction qui croît de façon exponentielle. Dans une réaction, un atome de la matière fissile — disons de l’uranium 235 — capture un neutron lors de son passage. Cela provoque la division de l’atome en deux atomes plus petits et, dans le processus, lance deux ou trois neutrons supplémentaires. Ces neutrons s’envolent ensuite et sont capturés par d’autres atomes d’uranium-235, qui à leur tour se séparent et envoient deux ou trois autres neutrons. Tout cela se produit en très, très peu de temps et libère d’énormes quantités d’énergie.
Ce concept est important, car pour que cette réaction se poursuive et libère d’énormes quantités d’énergie, il doit y avoir suffisamment de matière fissile présente pour qu’elle puisse continuer. Si la masse critique n’est pas atteinte, les neutrons présents diminueront avec le temps, rendant une réaction nucléaire de moins en moins probable avec le temps. À strictement parler, le terme masse critique est utilisé pour décrire l’état d’équilibre dans lequel il y a suffisamment de matière fissile présente pour maintenir la quantité de neutrons à peu près la même, mais la réaction n’en génère pas plus. Souvent, cependant, ce terme est utilisé pour décrire ce que l’on appelle plus précisément la masse supercritique, lorsqu’une quantité suffisante de matériau est présente pour que les neutrons continuent à entrer en collision avec des atomes fissiles et libèrent plus de neutrons, générant de l’énergie et de la chaleur.
Pour utiliser des matières fissiles dans une arme nucléaire, il est évidemment important que les matières soient maintenues en dessous de la masse critique, sinon la bombe exploserait immédiatement. Habituellement, deux morceaux de matériau sont séparés à une masse sous-critique, et quand il est temps pour la bombe d’exploser, ils sont jetés ensemble très fort et très rapidement. Ils créent alors une masse super-critique et la bombe explose. S’ils ne sont pas jetés ensemble assez rapidement, une explosion plus petite se produit en premier et éloigne les deux pièces, de sorte que la grande explosion ne se produit jamais – c’est ce qu’on appelle souvent un pétillement.
La masse critique est différente selon le matériau utilisé. Dans le cas de l’uranium-233, il est d’environ 35 livres (15 kg). Dans le cas de l’uranium-235, la masse critique est d’environ 115 livres (52 kg). Et dans le cas du Plutonium-239, il est d’environ 22 livres (10 kg).