Не все нейтроны вызывают деление: часть вылетает наружу через поверхность образца, часть поглощается без деления. Чем меньше кусок урана, тем больше доля нейтронов, теряемых через поверхность (у малого тела отношение поверхности к объёму велико).
Критическая масса — минимальная масса делящегося вещества, при которой утечка нейтронов компенсируется их рождением и достигается k = 1. Для чистого урана-235 это порядка нескольких килограммов (около 50 кг для шара без отражателя; с отражателем нейтронов — заметно меньше). Для плутония-239 критическая масса ещё меньше.
Увеличить k и снизить критическую массу помогают: отражатель нейтронов (возвращает вылетевшие нейтроны), компактная форма (шар имеет наименьшую поверхность) и обогащение топлива делящимся изотопом. Природный уран содержит лишь 0,7 % урана-235, поэтому для энергетики его обогащают до 3–5 %.