Proces rozszczepiania
Pod wpływem bombardowania neutronami niektóre izotopy uranu i plutonu (oraz niektóre inne cięższe pierwiastki) rozszczepiają się na atomy lżejszych pierwiastków, co jest procesem znanym jako rozszczepienie jądrowe. Oprócz tworzenia się lżejszych atomów, w procesie rozszczepienia emitowanych jest średnio od 2,5 do 3 swobodnych neutronów, wraz ze znaczną energią. Z reguły całkowite rozszczepienie 1 kg (2,2 funta) uranu lub plutonu wytwarza około 17,5 kiloton równoważnika energii wybuchu TNT.
Encyclopædia Britannica, Inc.
W bombie atomowej lub reaktorze jądrowym, najpierw niewielka liczba neutronów otrzymuje wystarczającą energię, aby zderzyć się z niektórymi rozszczepialnymi jądrami, które z kolei wytwarzają dodatkowe swobodne neutrony. Część z tych neutronów jest wychwytywana przez jądra, które nie ulegają rozszczepieniu; inne uciekają z materiału nie będąc wychwyconymi; a pozostałe powodują dalsze rozszczepienia. Wiele ciężkich jąder atomowych jest zdolnych do rozszczepienia, ale tylko część z nich jest rozszczepialna – tzn. rozszczepialna nie tylko przez neutrony szybkie (wysokoenergetyczne), ale także przez neutrony powolne. Ciągły proces, w którym neutrony emitowane przez rozszczepione jądra wywołują rozszczepienia w innych rozszczepialnych lub zdolnych do rozszczepienia jądrach, nazywamy reakcją łańcuchową. Jeśli liczba rozszczepień w jednym pokoleniu jest równa liczbie neutronów w poprzednim pokoleniu, system jest krytyczny; jeśli liczba ta jest większa od jedności, jest nadkrytyczny; a jeśli jest mniejsza od jedności, jest podkrytyczny. W przypadku reaktora jądrowego, liczba rozszczepialnych jąder dostępnych w każdym pokoleniu jest dokładnie kontrolowana, aby zapobiec „ucieczce” reakcji łańcuchowej. W przypadku bomby atomowej dąży się jednak do bardzo szybkiego wzrostu liczby rozszczepień.
Broń rozszczepieniowa jest zwykle wytwarzana z materiałów o wysokim stężeniu izotopów rozszczepialnych: uranu-235, plutonu-239 lub ich kombinacji; skonstruowano jednak i przetestowano również pewne urządzenia wybuchowe wykorzystujące wysokie stężenie uranu-233.
Pierwotne naturalne izotopy uranu to uran-235 (0,7 procent), który jest rozszczepialny, i uran-238 (99,3 procent), który jest rozszczepialny, ale nie rozszczepialny. W przyrodzie pluton występuje tylko w niewielkich stężeniach, dlatego rozszczepialny izotop pluton-239 jest wytwarzany sztucznie w reaktorach jądrowych z uranu-238. (Patrz: przetwarzanie uranu.) Do wywołania eksplozji broń rozszczepialna nie wymaga uranu ani plutonu, które są czyste w izotopy uranu-235 i plutonu-239. Większość uranu używanego obecnie w broni jądrowej to uran wzbogacony w około 93,5 procentach (uran-235). Broń jądrowa zawiera zazwyczaj 93 procent lub więcej plutonu-239, mniej niż 7 procent plutonu-240 oraz bardzo małe ilości innych izotopów plutonu. Pluton-240, produkt uboczny produkcji plutonu, ma kilka niepożądanych właściwości, w tym większą masę krytyczną (czyli masę potrzebną do wywołania reakcji łańcuchowej), większe narażenie pracowników na promieniowanie (w porównaniu z plutonem-239) oraz, w przypadku niektórych konstrukcji broni, wysoki stopień spontanicznego rozszczepienia, który może spowodować przedwczesne zapoczątkowanie reakcji łańcuchowej, co skutkuje mniejszą wydajnością. W związku z tym w reaktorach wykorzystywanych do produkcji plutonu-239 do celów militarnych okres pozostawania uranu-238 w reaktorze jest ograniczony, aby ograniczyć gromadzenie się plutonu-240 do około 6 procent.
.