Procesul de fisiune
Când sunt bombardați de neutroni, anumiți izotopi de uraniu și plutoniu (și alte elemente mai grele) se scindă în atomi de elemente mai ușoare, un proces cunoscut sub numele de fisiune nucleară. În plus față de această formare de atomi mai ușori, în procesul de fisiune sunt emiși în medie între 2,5 și 3 neutroni liberi, împreună cu o energie considerabilă. Ca regulă generală, fisiunea completă a 1 kg de uraniu sau plutoniu produce aproximativ 17,5 kilotone de energie explozivă echivalentă cu TNT.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Într-o bombă atomică sau într-un reactor nuclear, mai întâi un număr mic de neutroni primesc suficientă energie pentru a intra în coliziune cu unele nuclee fisionabile, care, la rândul lor, produc neutroni liberi suplimentari. O parte din acești neutroni sunt capturați de nuclee care nu fisionează; alții scapă din material fără a fi capturați; iar restul provoacă alte fisiuni. Multe nuclee atomice grele sunt capabile de fisiune, dar numai o parte dintre acestea sunt fisionabile – adică fisionabile nu numai cu neutroni rapizi (foarte energetici), ci și cu neutroni lenți. Procesul continuu prin care neutronii emiși de nucleele fisionabile induc fisiuni în alte nuclee fisionabile sau fisionabile se numește reacție de fisiune în lanț. În cazul în care numărul de fisiuni dintr-o generație este egal cu numărul de neutroni din generația precedentă, se spune că sistemul este critic; dacă numărul este mai mare de unu, este supercritic; iar dacă este mai mic de unu, este subcritic. În cazul unui reactor nuclear, numărul de nuclee fisionabile disponibile în fiecare generație este controlat cu atenție pentru a preveni o reacție în lanț de tip „runaway”. În cazul unei bombe atomice, însă, se urmărește o creștere foarte rapidă a numărului de fisiuni.
Armele cu fisiune sunt realizate în mod normal cu materiale care au concentrații ridicate de izotopi fisionabili uraniu-235, plutoniu-239 sau o combinație a acestora; cu toate acestea, au fost construite și testate și unele dispozitive explozive care utilizează concentrații ridicate de uraniu-233.
Izotopii naturali primari ai uraniului sunt uraniul-235 (0,7%), care este fisionabil, și uraniul-238 (99,3%), care este fisionabil, dar nu este fisionabil. În natură, plutoniul există doar în concentrații infime, astfel încât izotopul fisionabil plutoniu-239 este produs în mod artificial în reactoarele nucleare din uraniu-238. (A se vedea prelucrarea uraniului.) Pentru a produce o explozie, armele cu fisiune nu au nevoie de uraniu sau plutoniu care să fie pur în izotopii uraniu-235 și plutoniu-239. Cea mai mare parte a uraniului utilizat în armele nucleare actuale este de aproximativ 93,5% uraniu-235 îmbogățit. Armele nucleare conțin de obicei 93% sau mai mult plutoniu-239, mai puțin de 7% plutoniu-240 și cantități foarte mici de alți izotopi de plutoniu. Plutoniul-240, un produs secundar al producției de plutoniu, are mai multe caracteristici nedorite, inclusiv o masă critică mai mare (adică masa necesară pentru a genera o reacție în lanț), o expunere mai mare a lucrătorilor la radiații (în comparație cu plutoniul-239) și, pentru unele modele de arme, o rată ridicată de fisiune spontană care poate determina inițierea prematură a unei reacții în lanț, ceea ce duce la un randament mai mic. În consecință, în reactoarele utilizate pentru producerea de plutoniu-239 de calitate militară, perioada de timp în care uraniul-238 este lăsat în reactor este restricționată pentru a limita acumularea de plutoniu-240 la aproximativ 6 %.
.