Štěpný proces
Při bombardování neutrony se některé izotopy uranu a plutonia (a některé další těžší prvky) štěpí na atomy lehčích prvků, což je proces známý jako jaderné štěpení. Kromě tohoto vzniku lehčích atomů se při štěpení uvolní v průměru 2,5 až 3 volné neutrony a značná energie. Zpravidla při úplném štěpení 1 kg uranu nebo plutonia vznikne přibližně 17,5 kilotun výbušné energie odpovídající TNT.
Encyclopædia Britannica, Inc.
V atomové bombě nebo jaderném reaktoru je nejprve malému počtu neutronů dodána dostatečná energie, aby se srazily s některými štěpnými jádry, která následně produkují další volné neutrony. Část těchto neutronů je zachycena jádry, která se neštěpí, další uniknou z materiálu, aniž by byly zachyceny, a zbytek způsobí další štěpení. Mnoho těžkých atomových jader je schopno štěpení, ale pouze část z nich je štěpná – to znamená, že se štěpí nejen rychlými (vysoce energetickými) neutrony, ale také pomalými neutrony. Pokračující proces, při němž neutrony emitované štěpícími se jádry vyvolávají štěpení dalších štěpných nebo štěpitelných jader, se nazývá štěpná řetězová reakce. Pokud se počet štěpení v jedné generaci rovná počtu neutronů v předchozí generaci, říká se, že systém je kritický; pokud je tento počet větší než jedna, je nadkritický, a pokud je menší než jedna, je podkritický. V případě jaderného reaktoru je počet štěpných jader, která jsou k dispozici v každé generaci, pečlivě kontrolován, aby nedošlo ke „spuštění“ řetězové reakce. V případě atomové bomby se však usiluje o velmi rychlý nárůst počtu štěpení.
Štěpné zbraně se obvykle vyrábějí z materiálů s vysokou koncentrací štěpných izotopů uranu-235, plutonia-239 nebo jejich kombinací; byla však zkonstruována a testována i některá výbušná zařízení využívající vysoké koncentrace uranu-233. V případě atomové bomby se jedná o velmi rychlý nárůst počtu štěpných jader.
Primární přírodní izotopy uranu jsou uran-235 (0,7 %), který je štěpný, a uran-238 (99,3 %), který je štěpný, ale není štěpný. V přírodě se plutonium vyskytuje pouze v nepatrných koncentracích, takže štěpný izotop plutonium-239 se vyrábí uměle v jaderných reaktorech z uranu-238. (Viz zpracování uranu.) Štěpné zbraně ke svému výbuchu nepotřebují uran ani plutonium, které mají čistý obsah izotopů uran-235 a plutonium-239. Štěpné zbraně se vyrábějí z uranu a plutonia. Většina uranu používaného v současných jaderných zbraních je přibližně 93,5 % obohaceného uranu-235. Jaderné zbraně obvykle obsahují 93 procent nebo více plutonia-239, méně než 7 procent plutonia-240 a velmi malé množství dalších izotopů plutonia. Plutonium-240, vedlejší produkt výroby plutonia, má několik nežádoucích vlastností, včetně větší kritické hmotnosti (tj. hmotnosti potřebné k vyvolání řetězové reakce), většího ozáření pracovníků (ve srovnání s plutoniem-239) a u některých konstrukcí zbraní i vysoké míry spontánního štěpení, které může způsobit předčasné zahájení řetězové reakce, což vede k menšímu výtěžku. Proto je v reaktorech používaných pro výrobu plutonia-239 pro zbraně omezena doba, po kterou je uran-238 ponechán v reaktoru, aby se omezil nárůst plutonia-240 na přibližně 6 %.
.