Phản ứng phân hạch
Tổng quan về vật lý > Phản ứng dây chuyền

Một số nguyên tố nặng, chẳng hạn như uranium, thorium và plutonium, trải qua cả quá trình phân hạch tự phát, một dạng phân rã phóng xạ và phân hạch cảm ứng, một dạng phản ứng hạt nhân. Các đồng vị nguyên tố trải qua quá trình phân hạch cảm ứng khi bị neutron tự do tấn công được gọi là phân hạch; Các đồng vị trải qua quá trình phân hạch khi bị neutron nhiệt chuyển động chậm cũng được gọi là phân hạch. Một số đồng vị đặc biệt dễ phân hủy và có thể thu được (đáng chú ý là 233U, 235U và 239Pu) được gọi là nhiên liệu hạt nhân vì chúng có thể duy trì phản ứng dây chuyền và có thể thu được với số lượng đủ lớn để có ích.
Tất cả các đồng vị có thể phân hạch và phân hạch đều trải qua một lượng nhỏ phân hạch tự phát, giải phóng một vài neutron tự do vào bất kỳ mẫu nhiên liệu hạt nhân nào. Các neutron như vậy sẽ thoát ra khỏi nhiên liệu nhanh chóng và trở thành một neutron tự do, với tuổi thọ trung bình khoảng 15 phút trước khi phân rã thành các hạt proton và beta. Tuy nhiên, neutron tác động gần như bất biến và được hấp thụ bởi các hạt nhân khác trong vùng lân cận từ lâu trước khi điều này xảy ra (neutron phân hạch mới được tạo ra di chuyển với tốc độ khoảng 7% tốc độ ánh sáng, và thậm chí cả neutron được điều tiết di chuyển ở khoảng 8 lần tốc độ của âm thanh). Một số neutron sẽ tác động đến hạt nhân nhiên liệu và gây ra sự phân hạch hơn nữa, giải phóng thêm neutron. Nếu đủ nhiên liệu hạt nhân được lắp ráp ở một nơi, hoặc nếu các neutron thoát ra được chứa đủ, thì những neutron mới phát ra này sẽ vượt trội hơn các neutron thoát ra khỏi tổ hợp và sẽ xảy ra phản ứng chuỗi hạt nhân bền vững.
Một tổ hợp hỗ trợ cho phản ứng dây chuyền hạt nhân bền vững được gọi là tổ hợp tới hạn hoặc, nếu lắp ráp gần như hoàn toàn làm từ nhiên liệu hạt nhân, một khối lượng tới hạn. Từ "tới hạn" đề cập đến một mức đỉnh trong hành vi của các phương trình vi phân cho biết số lượng neutron tự do trình bày trong nhiên liệu: nếu có ít hơn một khối lượng tới hạn thì số lượng của neutron được xác định bởi sự phân rã phóng xạ, nhưng nếu có từ một khối lượng tới hạn trở lên, thì lượng neutron được điều khiển thay vào đó bằng yếu tố vật lý của phản ứng dây chuyền. Khối lượng thực tế của một khối nhiên liệu hạt nhân tới hạn phụ thuộc mạnh mẽ vào cấu trúc hình học và các vật liệu xung quanh.
Không phải tất cả các đồng vị phân hạch có thể duy trì phản ứng dây chuyền. Ví dụ, 238U, dạng uranium dồi dào nhất, có thể phân hạch nhưng không phân hạch: nó trải qua quá trình phân hạch cảm ứng khi bị tác động bởi một neutron năng lượng với hơn 1   MeV của động năng. Tuy nhiên, quá ít neutron được tạo ra bởi quá trình phân hạch 238U đủ năng lượng để tạo ra các phân hạch tiếp theo trong 238U, do đó không có phản ứng dây chuyền nào có thể xảy ra với đồng vị này. Thay vào đó, bắn phá 238U bằng neutron chậm khiến nó hấp thụ chúng (trở thành 239U) và phân rã bằng phát xạ beta thành 239Np, sau đó phân rã lại theo quy trình tương tự thành 239Pu; quá trình đó được sử dụng để sản xuất 239Pu trong các lò phản ứng của nhà tạo giống. Sản xuất plutonium tại chỗ cũng góp phần vào phản ứng chuỗi neutron trong các loại lò phản ứng khác sau khi đã sản xuất đủ plutoni-239, vì plutonium-239 cũng là một nguyên tố phân hạch dùng làm nhiên liệu. Người ta ước tính rằng có tới một nửa công suất được tạo ra bởi một lò phản ứng "không tạo giống" tiêu chuẩn được tạo ra bởi sự phân hạch của plutoni-239 được sản xuất tại chỗ, trong toàn bộ vòng đời của một lần truyền tải nhiên liệu.
Các đồng vị có thể phân hạch, không phân hạch có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng phân hạch ngay cả khi không có phản ứng dây chuyền. Bắn phá 238U bằng neutron nhanh gây ra sự phân hạch, giải phóng năng lượng miễn là có nguồn neutron bên ngoài. Đây là một hiệu ứng quan trọng trong tất cả các lò phản ứng trong đó neutron nhanh từ đồng vị phân hạch có thể gây ra sự phân hạch của hạt nhân 238U gần đó, điều đó có nghĩa là một phần nhỏ của 238U bị "đốt cháy" trong tất cả các nhiên liệu hạt nhân, đặc biệt là trong máy tạo giống nhanh lò phản ứng hoạt động với neutron năng lượng cao hơn. Hiệu ứng phân hạch nhanh tương tự được sử dụng để tăng năng lượng được giải phóng bởi vũ khí nhiệt hạch hiện đại, bằng cách bọc vũ khí với 238U để phản ứng với neutron được giải phóng bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân ở trung tâm của thiết bị. Nhưng tác động bùng nổ của các phản ứng chuỗi phân hạch hạt nhân có thể giảm đi bằng cách sử dụng các chất như chất điều tiết làm chậm tốc độ của neutron thứ cấp.