A hasadási folyamat
Az urán és a plutónium (és néhány más nehezebb elem) bizonyos izotópjai neutronokkal bombázva könnyebb elemek atomjaira hasadnak, ezt a folyamatot nevezik maghasadásnak. A könnyebb atomok keletkezése mellett a hasadási folyamat során átlagosan 2,5-3 szabad neutron szabadul fel, jelentős energiával együtt. Ökölszabályként 1 kg (2,2 font) urán vagy plutónium teljes hasadása körülbelül 17,5 kilotonna TNT-egyenértékű robbanási energiát eredményez.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Az atombombában vagy atomreaktorban először kisszámú neutron kap elég energiát ahhoz, hogy néhány hasadó atommaggal ütközzön, amelyek viszont további szabad neutronokat termelnek. E neutronok egy részét olyan atommagok fogják be, amelyek nem hasadnak; mások befogás nélkül távoznak az anyagból; a maradék pedig további hasadásokat okoz. Sok nehéz atommag képes hasadásra, de ezeknek csak egy része hasadó – azaz nemcsak gyors (nagy energiájú) neutronok, hanem lassú neutronok által is hasítható. Azt a folyamatos folyamatot, amelynek során a hasadó atommagok által kibocsátott neutronok más hasadó vagy hasadó atommagokban hasadást idéznek elő, hasadási láncreakciónak nevezzük. Ha egy generációban a hasadások száma megegyezik az előző generációban keletkezett neutronok számával, akkor a rendszert kritikusnak nevezzük; ha ez a szám nagyobb, mint egy, akkor szuperkritikus; ha pedig kisebb, mint egy, akkor szubkritikus. Egy atomreaktor esetében az egyes generációkban rendelkezésre álló hasadó atommagok számát gondosan szabályozzák, hogy megakadályozzák az “elszabaduló” láncreakciót. Egy atombomba esetében azonban a hasadások számának nagyon gyors növekedésére törekszenek.
A hasadófegyvereket általában olyan anyagokból készítik, amelyek nagy koncentrációban tartalmazzák az urán-235, a plutónium-239 hasadóizotópot vagy ezek valamilyen kombinációját; azonban építettek és teszteltek néhány olyan robbanószerkezetet is, amelyek nagy koncentrációban urán-233-at használnak.
Az urán elsődleges természetes izotópjai az urán-235 (0,7 százalék), amely hasadóanyag, és az urán-238 (99,3 százalék), amely hasadóanyag, de nem hasadóanyag. A természetben a plutónium csak parányi koncentrációban fordul elő, ezért a hasadóanyagú plutónium-239 izotópot mesterségesen állítják elő atomreaktorokban az urán-238-ból. (Lásd uránfeldolgozás.) A robbanáshoz a hasadófegyvereknek nincs szükségük az urán-235 és a plutónium-239 izotópokban tiszta uránra vagy plutóniumra. A jelenlegi nukleáris fegyverekben használt urán nagy része körülbelül 93,5 százalékban dúsított urán-235. A nukleáris fegyverek jellemzően 93 százalékos vagy annál nagyobb arányban tartalmaznak plutónium-239-et, kevesebb mint 7 százalék plutónium-240-et és nagyon kis mennyiségben egyéb plutóniumizotópokat. A plutónium-240, amely a plutóniumgyártás mellékterméke, számos nemkívánatos tulajdonsággal rendelkezik, beleértve a nagyobb kritikus tömeget (azaz a láncreakció létrehozásához szükséges tömeget), a dolgozók nagyobb sugárterhelését (a plutónium-239-hez képest), valamint egyes fegyvertervek esetében a spontán hasadás magas arányát, ami a láncreakció idő előtti beindulását okozhatja, ami kisebb hozamot eredményez. Következésképpen a fegyver minőségű plutónium-239 előállítására használt reaktorokban korlátozzák azt az időtartamot, amíg az urán-238 a reaktorban marad, hogy a plutónium-240 felhalmozódását körülbelül 6 százalékra korlátozzák.