Kritinė medžiagos masė yra kiekis, kurio reikia, kad prasidėjus branduolinei reakcijai ji tęstųsi.
Yra įvairių tipų branduolinių medžiagų, o viena rūšis yra žinoma kaip skilioji medžiaga. Daliosios medžiagos gali palaikyti reakciją, kai tik ji prasideda. Kadangi reakcija gali būti palaikoma, medžiaga gali būti naudojama tam tikriems tikslams. Šie tikslai apima branduolinių ginklų kūrimą ir reaktorių energijai gaminti. Plačiausiai naudojamos skiliosios medžiagos yra uranas-233, uranas-235 ir plutonis-239. Šios trys medžiagos atitinka skiliųjų medžiagų kriterijus, išlieka pakankamai ilgai ir jų galima rasti pakankamai dideliais kiekiais, kad būtų patogu jas naudoti kurui.
Branduolinės reakcijos procesas yra šiek tiek sudėtingas, tačiau į jį galima žiūrėti tiesiog kaip į reakciją, kuri auga eksponentiškai. Reakcijoje skiliosios medžiagos atomas, tarkime, uranas-235, užfiksuoja neutroną, kai jis juda pro šalį. Dėl to atomas suskaidomas į du mažesnius atomus ir tuo pačiu metu paleidžiami dar du ar trys neutronai. Tada šie neutronai išskrenda ir yra užfiksuoti kitų urano-235 atomų, kurie savo ruožtu suskaido ir išsiunčia dar du ar tris neutronus. Visa tai įvyksta per labai labai trumpą laiką ir išskiria milžiniškus energijos kiekius.
Ši koncepcija yra svarbi, nes tam, kad ši reakcija tęstųsi ir išsiskirtų didžiuliai energijos kiekiai, turi būti pakankamai skiliųjų medžiagų, kad ji galėtų tęstis. Jei kritinė masė nepasiekiama, esantys neutronai laikui bėgant sumažės, todėl laikui bėgant branduolinės reakcijos tikimybė bus vis mažesnė. Griežtai kalbant, terminas „kritinė masė“ vartojamas apibūdinti pusiausvyros būseną, kai yra pakankamai skiliųjų medžiagų, kad neutronų kiekis išliktų maždaug toks pat, tačiau reakcija nesukuria daugiau. Tačiau dažnai šis terminas vartojamas apibūdinti tai, kas tiksliau vadinama superkritine mase, kai medžiagos yra pakankamai, kad neutronai ir toliau susiduria su skiliaisiais atomais ir išskiria daugiau neutronų, generuodami energiją ir šilumą.
Norint panaudoti skiliąsias medžiagas branduoliniame ginkle, akivaizdžiai svarbu, kad medžiaga būtų mažesnė nei kritinės masės – antraip bomba iškart detonuotų. Paprastai du medžiagos gabalai yra laikomi vienas nuo kito esant subkritinei masei, o kai ateina laikas susprogdinti bombą, jie labai sunkiai ir labai greitai metami kartu. Tada jie sukuria itin didelę masę ir bomba sprogsta. Jei jie nėra pakankamai greitai sumesti, tada pirmiausia įvyksta mažesnis sprogimas, kuris nupučia dvi dalis toliau vienas nuo kito, todėl didelis sprogimas niekada neįvyksta – tai dažnai vadinama šnypščiu.
Kritinė masė skiriasi priklausomai nuo naudojamos medžiagos. Urano-233 atveju tai yra apie 35 svarai (15 kg). Urano-235 atveju kritinė masė yra apie 115 svarų (52 kg). O plutonio-239 atveju tai yra apie 22 svarai (10 kg).