Fissionsprocessen
Når visse isotoper af uran og plutonium (og nogle andre tungere grundstoffer) bombarderes af neutroner, vil de dele sig i atomer af lettere grundstoffer, en proces, der kaldes nuklear fission. Ud over denne dannelse af lettere atomer udsendes der i gennemsnit mellem 2,5 og 3 frie neutroner i fissionsprocessen sammen med en betydelig mængde energi. Som tommelfingerregel producerer en fuldstændig spaltning af 1 kg (2,2 pund) uran eller plutonium ca. 17,5 kilotons TNT-ækvivalent sprængenergi.
Encyclopædia Britannica, Inc.
I en atombombe eller atomreaktor får først et lille antal neutroner energi nok til at kollidere med nogle spaltbare atomkerner, som igen producerer yderligere frie neutroner. En del af disse neutroner indfanges af kerner, der ikke spaltes; andre undslipper materialet uden at blive indfanget; og resten forårsager yderligere spaltninger. Mange tunge atomkerner er i stand til at fissionere, men kun en brøkdel af disse er fissile – dvs. de kan ikke kun spaltes af hurtige (meget energirige) neutroner, men også af langsomme neutroner. Den fortsatte proces, hvorved neutroner, der udsendes af spaltede kerner, fremkalder spaltninger i andre spaltelige eller spaltbare kerner, kaldes en spaltningskædereaktion. Hvis antallet af fissioner i en generation er lig med antallet af neutroner i den foregående generation, siges systemet at være kritisk; hvis antallet er større end 1, er det superkritisk, og hvis det er mindre end 1, er det subkritisk. I en atomreaktor kontrolleres antallet af spaltelige kerner, der er til rådighed i hver generation, nøje for at forhindre en “løbsk” kædereaktion. I tilfælde af en atombombe tilstræbes derimod en meget hurtig vækst i antallet af spaltninger.
Spaltningsvåben fremstilles normalt af materialer med høje koncentrationer af de fissile isotoper uran-235, plutonium-239 eller en kombination heraf; der er dog også blevet konstrueret og afprøvet nogle eksplosive anordninger, der anvender høje koncentrationer af uran-233.
De primære naturlige isotoper af uran er uran-235 (0,7 procent), som er fissilt, og uran-238 (99,3 procent), som er spaltbart, men ikke fissilt. I naturen findes plutonium kun i meget små koncentrationer, så den fissile isotop plutonium-239 fremstilles kunstigt i atomreaktorer ud fra uran-238. (Se uranforarbejdning.) For at kunne udløse en eksplosion kræver spaltningsvåben ikke uran eller plutonium, der er rent i isotoperne uran-235 og plutonium-239. Det meste af det uran, der anvendes i de nuværende atomvåben, er ca. 93,5 % beriget uran-235. Kernevåben indeholder typisk 93 % eller mere plutonium-239, mindre end 7 % plutonium-240 og meget små mængder af andre plutoniumisotoper. Plutonium-240, der er et biprodukt fra plutoniumproduktionen, har flere uønskede egenskaber, herunder en større kritisk masse (dvs. den masse, der kræves for at udløse en kædereaktion), større strålingseksponering af arbejdstagerne (i forhold til plutonium-239) og, for nogle våbendesigns vedkommende, en høj spontan spaltningshastighed, der kan medføre, at en kædereaktion starter for tidligt, hvilket resulterer i et mindre udbytte. I reaktorer, der anvendes til fremstilling af våbenplutonium-239, begrænses derfor den periode, hvor uran-238 forbliver i reaktoren, for at begrænse opbygningen af plutonium-240 til ca. 6 %.