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原子力工学において、即発臨界とは、即発中性子のみによって達成される臨界（核連鎖反応が自己持続する状態）のことである（遅発中性子の作用は不要）。その結果、即発超臨界は、他の形態の臨界よりもはるかに速い速度でエネルギー放出率を増大させる。核兵器は即発臨界に基づいているが、原子炉は臨界を達成するために遅発中性子または外部中性子に依存している。
集合体が臨界状態にあるのは、各核分裂事象が平均して連続的な連鎖反応でちょうど１つの追加の核分裂事象を引き起こす場合である。このような連鎖反応は自己持続的な核分裂連鎖反応である。ウラン235（U-235）原子が核分裂を起こすと、通常１～７個の中性子（平均２.4個）が放出される。この状況では、放出された中性子が非核分裂捕獲事象に吸収されるか、核分裂性コアから脱出するよりも、 １ / ２.４＝０．４２＝４２ ％の確率で別の核分裂事象を引き起こす場合、集合体は臨界状態にある。
新たな核分裂反応を引き起こす中性子の平均数は、有効中性子増倍率と呼ばれ、通常はk-effective、k-eff、またはkという記号で表されます。k -effectiveが 1 に等しい場合、その集合体は臨界状態にあると言われ、k-effective が1 未満の場合、集合体は未臨界状態にあると言われ、k-effectiveが 1 より大きい場合、集合体は超臨界状態にあると言われます。
超臨界集合体では、単位時間あたりの核分裂数Nと発電量は、時間とともに指数関数的に増加する。その増加速度は、核分裂反応で放出された中性子が次の核分裂を引き起こすまでの平均時間Tに依存する。反応の増加率は次式で与えられる。
核分裂反応で放出される中性子の大部分は、核分裂そのもので放出されるものです。これらは即発中性子と呼ばれ、他の原子核に衝突してナノ秒以内（マンハッタン計画の科学者が用いた平均時間間隔は1回の揺れ、つまり10 ナノ秒）にさらなる核分裂を引き起こします。中性子のわずかな追加供給源は、核分裂生成物です。核分裂によって生成される原子核の中には、半減期の短い放射性同位体があり、それらの間の核反応によって、最初の核分裂反応から数分後まで長い遅延を経て、追加の中性子が放出されます。これらの中性子は、平均して核分裂によって放出される全中性子の1パーセント未満を占め、遅発中性子と呼ばれます。遅発中性子の発生が比較的遅い時間スケールであることは、原子炉の設計において重要な側面であり、制御棒の段階的な機械的移動によって原子炉の出力レベルを制御できる。通常、制御棒には、有効中性子数kを変化させる手段として、中性子吸収剤（例えば、ホウ素やハフニウムなど、中性子を容易に捕獲し、新たな中性子を生成しない物質）が含まれている。実験的なパルス式原子炉を除き、原子炉は遅発臨界モードで運転するように設計されており、即時臨界状態に達しないようにするための安全装置が備えられている。
遅延臨界集合体では、 k-effectiveを1より大きくするために遅延中性子が必要となります。したがって、反応の連続発生間隔Tは、遅延中性子が放出されるまでの時間（秒から分程度）によって支配されます。そのため、反応は長い時定数でゆっくりと進行します。この速度は、制御棒などの電気機械式制御システムで反応を制御するのに十分なほど遅いため、すべての原子炉は遅延臨界領域で運転されるように設計されています。
対照的に、臨界集合体は、遅発中性子の寄与なしに臨界状態（k = 1 ）にある場合、即発臨界状態と呼ばれ、遅発中性子の寄与なしに超臨界状態（核分裂率が指数関数的に増加、k > 1）にある場合、即発超臨界状態と呼ばれる。この場合、反応の連続発生間の時間Tは即発中性子による核分裂率のみによって制限され、反応の増加は極めて速く、数ミリ秒以内にエネルギーが急速に放出される。即発臨界集合体は、核兵器や一部の特別に設計された研究実験において意図的に作られる。
即発中性子と遅発中性子の違いは、原子炉内に放出された中性子の発生源にある。放出された中性子自体は、与えられたエネルギーや速度以外に違いはない。核兵器は即発超臨界（ほんの一瞬で高出力を発生させる）に大きく依存する一方、原子力発電所は遅発臨界を利用して、数ヶ月から数年にわたって制御可能な出力レベルを維持する。
制御可能な核分裂反応を開始させるには、原子炉集合体が遅発臨界状態にある必要がある。つまり、即発臨界閾値を超えずに、 kが1より大きい（超臨界）状態である必要がある。原子炉では、遅発中性子によってこれが可能となる。核分裂反応後、これらの中性子が放出されるまでにはある程度の時間がかかるため、制御棒を用いて核反応を制御することができる。
定常状態（定出力）の原子炉は、遅発中性子の寄与によって臨界状態となるように運転されますが、遅発中性子の寄与がなければ臨界状態にはなりません。原子炉出力レベルを段階的かつ意図的に上昇させると、原子炉は遅発超臨界状態になります。原子炉活動の指数関数的な増加は十分に緩やかなため、中性子吸収材の棒を挿入または引き抜くことで臨界係数kを制御することが可能です。このように、制御棒を慎重に操作することで、危険な即発臨界状態に達することなく、超臨界状態の炉心を実現できます。
原子炉が目標出力または設計出力レベルで運転を開始すると、長期間にわたって臨界状態を維持するように運転することができる。
原子炉は、制御システムや安全システムの故障などにより反応度（または有効k値）が大幅に上昇した場合、即発臨界事故を起こしやすい。即発臨界状態における原子炉出力の急速かつ制御不能な上昇は、原子炉に修復不可能な損傷を与える可能性が高く、極端な場合には原子炉格納容器が破損する恐れがある。原子炉の安全システムは即発臨界を防止するように設計されており、多重防護の観点から、原子炉構造は放射性核分裂生成物の偶発的な放出に対する予防措置として、複数の格納層を備えている。
研究用原子炉や実験用原子炉を除けば、即座臨界に達したと考えられる原子炉事故はごく少数であり、例えばチェルノブイリ4号機、米陸軍のSL-1、ソ連の潜水艦K-431などが挙げられる。これらの事例すべてにおいて、制御不能な出力サージが爆発を引き起こし、原子炉を破壊して放射性核分裂生成物を大気中に放出するのに十分な規模であった。
1986年、チェルノブイリでは、原子炉の冷却ポンプの半分への電力供給を停止するテスト手順が実施された。[ 1 ]このテストは、十分に理解されていない正のスクラム効果と相まって、危険なほど過熱した原子炉炉心を引き起こした。これにより、燃料要素と水パイプの破裂、水の蒸発、蒸気爆発、黒鉛火災が発生した。事故前の推定出力レベルは、原子炉が最大熱出力3 GWの10倍にあたる30 GW以上で運転されていたことを示唆している。原子炉チャンバーの2000トンの蓋は蒸気爆発によって持ち上げられた。原子炉は、この壊滅的な爆発を封じ込めることができる格納建屋を備えて設計されていなかったため、事故により大量の放射性物質が環境に放出された。
他の2つの事故では、少なくとも1本の制御棒を急速かつ制御不能に引き抜くメンテナンス停止中のエラーにより原子炉が故障した。SL -1は、米陸軍が極地の遠隔地で使用することを目的としたプロトタイプ原子炉だった。1961年、SL-1プラントで、原子炉は中央制御棒を手動で引き抜きすぎて、停止状態から即臨界状態にされた。炉心内の水が急速に蒸気に変わり膨張したため（わずか数ミリ秒）、26,000ポンド（12,000kg ）の原子炉容器が9フィート1インチ（2.77m ）跳ね上がり、天井に跡が残った。[ 2 ] [ 3 ]メンテナンス作業を行っていた3人全員が負傷により死亡した。炉心の一部が排出されたため、1,100キュリーの核分裂生成物が放出された。事故の調査と現場の清掃には2年かかった。 SL-1炉心の過剰即発反応度は1962年の報告書で計算された。[ 4 ]
SL-1の遅発中性子の割合は0.70%です。決定的な証拠により、SL-1の逸脱は中央制御棒の部分的な引き抜きによって引き起こされたことが明らかになりました。この1本の制御棒を20インチ引き抜いたことによる反応度は2.4% δk/kと推定され、これは即発臨界を誘発し、原子炉を4ミリ秒周期にするのに十分でした。
K-431原子炉事故では、燃料交換作業中に10人が死亡した。K -431の爆発は隣接する機械室を破壊し、潜水艦の船体を破裂させた。これら2つの大惨事では、原子炉は完全停止状態からほんの一瞬のうちに極めて高い出力レベルにまで急上昇し、修復不可能なほど損傷を受けた。
数多くの研究炉や実験において、即発臨界炉プラントの運転が意図的に検証されてきた。CRAC 、KEWB、SPERT - I、ゴディバ装置、BORAX実験などがこの研究に貢献した。しかしながら、主に核燃料の研究および処理中に多くの事故も発生している。SL-1は注目すべき例外である。
以下の即座の臨界出力逸脱のリストは、臨界事故を研究したアメリカとロシアの原子力科学者チームが2000年に提出した報告書を基に作成されたもので、多くの逸脱が発生した場所であるロスアラモス科学研究所によって発行された。[ 5 ]典型的な出力逸脱は約1 × 10¹⁷回の核分裂である。
一方、核兵器の設計においては、即時臨界の達成が不可欠である。実際、爆弾製造における設計上の課題の一つは、連鎖反応によって炉心が過度に膨張するほどのエネルギーが発生する前に、核分裂性物質を十分に圧縮して即時臨界を達成することである。したがって、優れた爆弾設計は、より弱い連鎖反応によって炉心が分解され、大量の燃料が核分裂を起こす前に（いわゆる「不完全核分裂」）、高密度で即時臨界の炉心に到達する競争に勝たなければならない。これは一般的に、核爆弾では炉心の組み立て方法に特別な注意を払う必要があることを意味する。例えば、 1942年にカリフォルニア大学バークレー校のリチャード・C・トルマン、ロバート・サーバー、その他の科学者によって考案された爆縮法などが挙げられる。
