Fissionsprocessen
När vissa isotoper av uran och plutonium (och vissa andra tyngre grundämnen) bombarderas av neutroner kommer de att dela sig till atomer av lättare grundämnen, en process som kallas kärnklyvning. Förutom denna bildning av lättare atomer avges i genomsnitt mellan 2,5 och 3 fria neutroner i fissionsprocessen, tillsammans med avsevärd energi. Som en tumregel kan man säga att en fullständig klyvning av 1 kg (2,2 pund) uran eller plutonium ger upphov till cirka 17,5 kiloton TNT-ekvivalent sprängkraft.
Encyclopædia Britannica, Inc.
I en atombomb eller kärnreaktor får först ett litet antal neutroner tillräckligt med energi för att kollidera med några klyvbara atomkärnor, som i sin tur producerar ytterligare fria neutroner. En del av dessa neutroner fångas in av kärnor som inte klyvs, andra flyr ur materialet utan att fångas in och resterande orsakar ytterligare klyvningar. Många tunga atomkärnor kan klyvas, men endast en bråkdel av dessa är klyvbara – det vill säga klyvbara inte bara av snabba (mycket energirika) neutroner utan även av långsamma neutroner. Den fortlöpande processen där neutroner som avges av klyvande kärnor framkallar klyvningar i andra klyvbara eller klyvbara kärnor kallas för en klyvningskedjereaktion. Om antalet klyvningar i en generation är lika med antalet neutroner i den föregående generationen sägs systemet vara kritiskt; om antalet är större än ett är det superkritiskt, och om det är mindre än ett är det subkritiskt. När det gäller en kärnreaktor kontrolleras antalet tillgängliga klyvbara kärnor i varje generation noggrant för att förhindra att en kedjereaktion ”löper iväg”. I fallet med en atombomb eftersträvas dock en mycket snabb ökning av antalet klyvningar.
Klyvningsvapen tillverkas normalt med material som har höga koncentrationer av de klyvbara isotoperna uran-235, plutonium-239 eller någon kombination av dessa; vissa sprängladdningar som använder höga koncentrationer av uran-233 har dock också konstruerats och testats.
De primära naturliga isotoperna av uran är uran-235 (0,7 procent), som är klyvbar, och uran-238 (99,3 procent), som är klyvbar men inte klyvbar. I naturen finns plutonium endast i mycket små koncentrationer, så den klyvbara isotopen plutonium-239 framställs artificiellt i kärnreaktorer från uran-238. (Se uranförädling.) För att kunna åstadkomma en explosion kräver klyvningsvapen inte uran eller plutonium som är rent i isotoperna uran-235 och plutonium-239. Det mesta av det uran som används i dagens kärnvapen är cirka 93,5 procent anrikat uran-235. Kärnvapen innehåller vanligtvis 93 procent eller mer plutonium-239, mindre än 7 procent plutonium-240 och mycket små mängder av andra plutoniumisotoper. Plutonium-240, som är en biprodukt vid plutoniumframställning, har flera oönskade egenskaper, bl.a. en större kritisk massa (dvs. den massa som krävs för att generera en kedjereaktion), större strålningsexponering för arbetare (i förhållande till plutonium-239) och, för vissa vapenkonstruktioner, en hög spontan klyvningstakt som kan leda till att en kedjereaktion startar i förtid, vilket resulterar i en mindre avkastning. I reaktorer som används för produktion av vapenplutonium-239 begränsas därför den tidsperiod under vilken uran-238 lämnas kvar i reaktorn för att begränsa uppbyggnaden av plutonium-240 till cirka 6 procent.