تصميم السلاح النووي
تفاعلات النووية > الانشطار النووي

عندما يصدم نيوترون حر نواة ذرة انشطارية مثل اليورانيوم-235 (235-U)، ينشق اليورانيوم إلى ذرتين أصغر تسمى شظايا الانشطار، بالإضافة إلى تحرير 2 إلى 3 من النيوترونات . الانشطار يمكن أن يكون مكتفي ذاتيًا أنه ينتج نيوترونات أكثر من السرعة اللازمة لحدوث انشطارات جديدة.
نواة ال يو-235 يمكن أن تنشطر بعشرات الطرق بشرط أن يكون مجموع الأعداد الذرية للمواد المنشطرة 92 ومجموع الكتل الذرية إلى 236 (اليورانيوم-235 بالإضافة إلى النيوترون الإضافي)، المعادلة التالية تبين واحدة من الانقسامات الممكنة (السترونتيوم-95 (95Sr)، زينون-139 (139Xe)، واثنين من النيوترونات (N)، بالإضافة إلى طاقة) ، طبقا للمعادلة:
النيوترونان الناتجان خلال التفاعل يمكهما أن يقوما بإنشطارات أخرى.
التحرير الفوري للطاقة لكل نواة حوالي 180 مليون إلكترون فولت (MeV)، أي 74 تيرا جول / كجم. فقط ٪7 من هذا يكون أشعة جاما و الطاقة الحركية من نيوترونات الانشطار. ال 93٪ المتبقية تكون طاقة حركية (أو طاقة الحركة) لشظايا الانشطار المشحونة، تتطاير بعيدا عن بعضها البعض وتتنافر من بعضها البعض من الشحنة الموجبة لبروتوناتها (38 للسترونتيوم، 54 للزينون). هذه الطاقة الحركية البدائية تكوّن 67 تيرا جول / كجم، تعطي سرعة بدائية تساوي حوالي 12,000 كيلومتر في الثانية. الشحنة الكهربائية العالية للشظايا المشحونة تسبب الكثير من التصادمات غير المرنة مع الأنوية القريبة، وتبقى هذه الشظايا محصورة داخل حفرة قنبلة اليورانيوم وتتشتت؟ وتدك؟ وتحفر؟ حتى يتم تحويل حركتها إلى حرارة. هذا يستغرق 1 جزء من المليون من الثانية (مايكرو ثانية)، وهو الزمن الذي يتوسع به المركز والمحفذ في القنبلة حتى يصل قطر البلازما (الجسيمات النووية المتأية ) إلى عدة أمتار مع درجة حرارة عشرات الملايين من الدرجات.
ودرجة السخونة هذه تصل إلى مرحلة كافية لتنبعث أشعة الجسم الأسود (أشعة كهرومغناطيسية تحوي جميع أطوال الموجات الممكنة بما فيها الضوء المرئي وأشعة إكس) في الطيف الإشعاعي للأشعة السينية (أشعة اكس). هذه الأشعة السينية تُمتص بواسطة الهواء المحيط، فينتج الشعلة والصوت العالي للانفجار النووي. معظم المنتجات الناتجة من الانشطار النووي تحتوي على العديد من النيوترونات فلا تكون مستقرة، فتكون مشعة بواسطة اضمحلال بيتا ؛ حيث تتحول نيوترونات إلى بروتونات بواسطة اضمحلال بيتا إلى (إلكترونات) وأشعة غاما. مدى عمر النصف لنواتج الانشطار يتراوح من جزء من ألف من الثانية إلى حوالي 200,0000 سنة حسب أنواعها. العديد يتحلل إلى نظائر تكون مشعة بنفسها، إذا من 1 إلى 6 تحللات (بمتوسط 3) تحللات قد تستغرق حتى الوصول إلى الاستقرار. في المفاعلات النووية، المنتجات المشعة تكوّن الفضلات النووية في الوقود المستهلك. أما في انفجار القنابل فهي تؤدي إلى إنتشار ذري مشع، سواء على المستوى المحلي أو الواسع العالمي - حيث تلعب الرياح دورها في انتشارها لمسافات بعيدة.
في غضون ذلك، في داخل القنبلة المتفجرة تحمل النيوترونات المنطلقة من الانشطار تقريبا 3٪ من طاقة الانشطار الأولي. الطاقة الحركية للنيوترون تزيد من طاقة انفجار القنبلة لكنها ليست بفعالية الطاقة التي تصحبها الشظايا المشحونة، لأن تباطؤ النيوترونات لا يتم بشكل سريع. أهم تأثير لانشطار النيوترونات على قوة القنبلة هو التسبب في انشطارات أخرى (تفاعل متسلسل) . ينبعث من قلب القنبلة أكثر من نصف النيوترونات، والباقي يضرب الأنوية U-235 القريبة ويتسبب في انشطارها أضعاف مضاعفة بسلسلة متزايدة ( 2، 4، 8، 16، الخ). بدءا من واحد، عدد الانشطار نظرياً يمكن أن يتضاعف مئة مرة في جزء من مليون من الثانية، مما قد يؤدي إلى استهلاك كل اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 بنسبة كبيرة من الموجود في السلسلة. عملياً، القنابل لا تحتوي على هكذا مقدار من اليورانيوم أو البلوتونيوم، وعادة (في سلاح حديث) نحو 2 إلى 2.50 كيلوغرام من البلوتونيوم تمثل 40الى 50 كيلوطن من الطاقة، تخضع للانشطار قبل أن تفجر النواة نفسها إلى أجزاء.
تركيب قنبلة انفجارية لحظيا هو أعظم تحدي في تصميم سلاح الانشطار. حرارة الانشطار توسع التجويف المحتوي على اليورانيوم-235 بسرعة فتفصل هدف النواة وتشكل مساحة للنيوترونات لتنبعث بدون أن تشترك في التفاعل . فتتوقف سلسلة التفاعل.
المواد التي يمكن أن تحمل سلسلة من التفاعل النووي تسمى مواد انشطارية. اثنان من المواد الانشطارية المستخدمة في الأسلحة النووية هما:اليورانيوم U-235 ويعرف أيضاً باليورانيوم عالي التخصيب (HEU)، أورالي (Oy) سبائك أوك ريدج. أو 25 (آخر عدد من الإعداد الذرية، وهو 92 لليورانيوم والوزن الذري هنا 235، أي يورانيوم-235)؛ و Pu-239، ويعرف أيضاً بالبلوتونيوم-239 ، أو 49 (من العدد الذري 94 والكتلة الذرية 239).
نظير اليورانيوم الأكثر شيوعا، اليورانيوم إحدى النظائر المشعة الأكثر انتشارا. U-238، ليس انشطاري (بمعنى أنه غير قادر على حمل سلسلة تفاعلات بنفسه ولكن يستطيع الانقسام عند امتصاصه النيترونات السريعة.) أسمائه المستعاره تضمن اليورانيوم الطبيعي أو اليوارانيوم الغير مخصب، اليورانيوم المستنفذ . سبائك الأنبوب غير قادرة على حمل التفاعل التسلسلي ، لأن سرعات النيوترونات ليس بالقوة الكافية لانشطار U-238. النيترونات السريعة هي مصدر لانشطار U-238.