Fissioprosessi
Neutronien pommittamina tietyt uraanin ja plutoniumin isotoopit (ja jotkin muut raskaammat alkuaineet) halkeavat kevyempien alkuaineiden atomeiksi, ja tämä prosessi tunnetaan nimellä ydinfissio. Tämän kevyempien atomien muodostumisen lisäksi fissioprosessissa vapautuu keskimäärin 2,5-3 vapaata neutronia ja huomattavaa energiaa. Nyrkkisääntönä voidaan sanoa, että 1 kg:n (2,2 paunan) uraanin tai plutoniumin täydellinen fissio tuottaa noin 17,5 kilotonnia TNT-ekvivalenttia räjähdysenergiaa.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Atomipommissa tai ydinreaktorissa ensin pieni määrä neutroneja saa tarpeeksi energiaa törmätäkseen joihinkin halkeamiskelpoisiin ytimiin, jotka puolestaan tuottavat lisää vapaita neutroneja. Osa näistä neutroneista vangitaan ytimiin, jotka eivät fissioidu, osa poistuu aineesta vangitsematta, ja loput aiheuttavat uusia fissioita. Monet raskaat atomiytimet kykenevät halkeamaan, mutta vain osa niistä on halkeamiskelpoisia – eli ne ovat halkeamiskelpoisia nopeiden (erittäin energeettisten) neutronien lisäksi myös hitaiden neutronien vaikutuksesta. Jatkuvaa prosessia, jossa fissioituvien ydinten lähettämät neutronit aiheuttavat fissioita muissa fissioituvissa tai fissiokelpoisissa ytimissä, kutsutaan fissioketjureaktioksi. Jos fissioiden määrä yhdessä sukupolvessa on yhtä suuri kuin neutronien määrä edellisessä sukupolvessa, systeemin sanotaan olevan kriittinen; jos määrä on suurempi kuin yksi, se on ylikriittinen; ja jos se on pienempi kuin yksi, se on alikriittinen. Ydinreaktorissa kussakin sukupolvessa käytettävissä olevien halkeamiskelpoisten ytimien määrää valvotaan huolellisesti, jotta estetään ketjureaktion karkaaminen. Atomipommin tapauksessa pyritään kuitenkin hyvin nopeaan fissioiden määrän kasvuun.
Fissioaseet valmistetaan tavallisesti materiaaleista, joissa on korkeita pitoisuuksia halkeamiskelpoisia isotooppeja uraani-235:tä, plutonium-239:ää tai jotakin näiden yhdistelmää; joitakin räjähteitä, joissa on käytetty korkeita pitoisuuksia uraani-233:a, on kuitenkin myös rakennettu ja testattu.
Uraanin tärkeimmät luonnolliset isotoopit ovat uraani-235 (0,7 prosenttia), joka on halkeamiskelpoinen, ja uraani-238 (99,3 prosenttia), joka on halkeamiskelpoinen mutta ei halkeamiskelpoinen. Plutoniumia esiintyy luonnossa vain pieninä pitoisuuksina, joten halkeamiskelpoista isotooppia plutonium-239 valmistetaan keinotekoisesti ydinreaktoreissa uraani-238:sta. (Ks. uraanin jalostus.) Räjähdyksen aikaansaamiseksi fissioaseissa ei tarvita uraania tai plutoniumia, joka on puhtaasti uraani-235:n ja plutonium-239:n isotooppeja. Suurin osa nykyisissä ydinaseissa käytetystä uraanista on noin 93,5-prosenttisesti rikastettua uraani-235:tä. Ydinaseet sisältävät tyypillisesti vähintään 93 prosenttia plutonium-239:ää, alle 7 prosenttia plutonium-240:tä ja hyvin pieniä määriä muita plutoniumin isotooppeja. Plutonium-240:llä, joka on plutoniumin valmistuksen sivutuote, on useita epätoivottuja ominaisuuksia, kuten suurempi kriittinen massa (eli ketjureaktion synnyttämiseen tarvittava massa), työntekijöiden suurempi säteilyaltistus (verrattuna plutonium-239:ään) ja joissakin asekonstruktioissa korkea spontaanin fission määrä, joka voi aiheuttaa ketjureaktion käynnistymisen ennenaikaisesti, jolloin saanto jää pienemmäksi. Tämän vuoksi aselaatuisen plutonium-239:n tuotantoon käytettävissä reaktoreissa uraani-238:n jättämistä reaktoriin rajoitetaan, jotta plutonium-240:n kertyminen rajoitetaan noin 6 prosenttiin.