ในวิศวกรรมนิวเคลียร์วัสดุฟิสไซล์คือวัสดุที่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิสชันนิวเคลียร์ ได้ เมื่อถูกนิวตรอนพลังงานต่ำชน^{[ 1 ]}ปฏิกิริยาลูกโซ่ความร้อนที่เกิดขึ้นเองได้นั้นสามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะกับวัสดุฟิสไซล์เท่านั้นพลังงานนิวตรอน ที่เด่น ในระบบอาจแบ่งได้ตามประเภทของนิวตรอนช้า (เช่น ระบบความร้อน) หรือนิวตรอนเร็ว วัสดุฟิสไซล์สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วและวัตถุระเบิดนิวเคลียร์ได้

คำว่าfissileแตกต่างจากfissionableนิวไคลด์ที่สามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชัน ได้ (แม้จะมีโอกาสน้อย) หลังจากจับนิวตรอนที่มีพลังงานสูงหรือต่ำ^{[ 2 ]}เรียกว่าfissionable นิวไคลด์ฟิสชัน able ที่สามารถเกิดฟิสชันได้ด้วยความน่าจะเป็นสูงหลังจากจับ นิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำเรียกว่าfissile ^{[ 3 ]} วัสดุฟิ ส ชันable ได้แก่ วัสดุ (เช่นยูเรเนียม-238 ) ที่สามารถเกิดฟิสชันได้ด้วยนิวตรอนพลังงานสูงเท่านั้น ดังนั้น วัสดุฟิสไซล์ (เช่นยูเรเนียม-235 ) จึงเป็นกลุ่มย่อยของวัสดุฟิสชันable

ยูเรเนียม-235 เกิดการแตกตัวด้วยนิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำ เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวที่เกิดจากการดูดซับนิวตรอนมีค่ามากกว่าเกณฑ์ที่จำเป็นสำหรับการแตกตัว ดังนั้นยูเรเนียม-235 จึงสามารถแตกตัวได้ ในทางตรงกันข้าม พลังงานยึดเหนี่ยวที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียม-238 เมื่อดูดซับนิวตรอนความร้อนมีค่าน้อยกว่าพลังงานวิกฤต ดังนั้นนิวตรอนจะต้องมีพลังงานเพิ่มเติมเพื่อให้เกิดการแตกตัวได้ ผลที่ตามมาคือยูเรเนียม-238 สามารถแตกตัวได้แต่ไม่สามารถแตกตัวได้^{[ 4 ] [ 5 ]}

นิยามทางเลือกหนึ่งกำหนดนิวไคลด์ฟิสไซล์ว่าเป็นนิวไคลด์ที่สามารถทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสได้ (กล่าวคือ สามารถแตกตัวได้) และยังผลิตนิวตรอนจากการแตกตัวดังกล่าวซึ่งสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้ในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม ภายใต้นิยามนี้ นิวไคลด์ที่สามารถแตกตัวได้แต่ไม่ใช่ฟิสไซล์ คือนิวไคลด์ที่สามารถทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสได้ แต่ผลิตนิวตรอนไม่เพียงพอ ทั้งในด้านพลังงานหรือจำนวน เพื่อที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้ ดังนั้น ในขณะที่ไอโซโทปฟิสไซล์ทั้งหมดสามารถแตกตัวได้ แต่ไอโซโทปที่สามารถแตกตัวได้ทั้งหมดไม่ได้เป็นฟิสไซล์ ใน บริบทของ การควบคุมอาวุธโดยเฉพาะอย่างยิ่งในข้อเสนอสำหรับสนธิสัญญาตัดวัสดุฟิสไซล์คำว่าฟิสไซล์มักใช้เพื่ออธิบายวัสดุที่สามารถใช้ในส่วนหลักของการแตกตัวของอาวุธนิวเคลียร์^{[ 6 ]} วัสดุเหล่านี้เป็นวัสดุที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่การแตกตัวของนิวเคลียส แบบระเบิดด้วยนิวตรอน เร็ว

ภายใต้คำจำกัดความทั้งหมดข้างต้น ยูเรเนียม-238 ( ^{238 )}U ) สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ แต่ไม่ใช่สารฟิสไซล์ นิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันของ²³⁸ยูเรเนียมมีพลังงาน ต่ำ กว่านิวตรอนดั้งเดิม (มีพฤติกรรมเหมือนการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่น ) โดยปกติจะต่ำกว่า 1 MeV (เช่นความเร็วประมาณ 14,000 กม./วินาที ) ซึ่งเป็นเกณฑ์การแตกตัวที่ทำให้เกิดการแตกตัวครั้งต่อไปที่²³⁸   ยูดังนั้นการแตกตัวของ²³⁸ยูเรเนียมไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

การแตกตัวอย่างรวดเร็วของ²³⁸ยูเรเนียมในขั้นตอนที่สองของอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ เนื่องจากการผลิตนิวตรอนพลังงานสูงจากปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์จึงมีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อผลผลิตและกัมมันตรังสีตกค้างของอาวุธดังกล่าว การแตกตัวอย่างรวดเร็วของ²³⁸การดัดแปลง Uยังปรากฏให้เห็นในอาวุธฟิสชันบริสุทธิ์อีกด้วย^{[ 7 ]}การฟิสชันอย่างรวดเร็วของ²³⁸ยูเรเนียมยังมีส่วนสำคัญต่อกำลังการผลิตของเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วบางประเภทอีกด้วย

โดยทั่วไป ไอโซโทปของธาตุ แอคติไนด์ ส่วนใหญ่ที่มี จำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่จะสามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ส่วนใหญ่มีเลขมวลอะตอม เป็นเลขคี่ ( A = Z + N = จำนวนนิวคลีออน ทั้งหมด ) และเลขอะตอมZ เป็นเลขคู่ ซึ่งหมายความว่ามีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ ไอโซโทปที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่จะได้รับ พลังงานเพิ่มขึ้น 1 ถึง 2 MeV จากการดูดซับนิวตรอนเพิ่มอีกหนึ่งตัว จากผลของการจับคู่ซึ่งเอื้อต่อจำนวนนิวตรอนและโปรตอนที่เป็นเลขคู่ พลังงานนี้เพียงพอที่จะให้พลังงานเพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับการเกิดฟิชชันโดยนิวตรอนที่เคลื่อนที่ช้ากว่า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการทำให้ไอโซโทปที่สามารถเกิดฟิชชันได้นั้นสามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้จริง

โดยทั่วไปแล้ว นิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่ และอยู่ใกล้กับเส้นโค้งที่รู้จักกันดีในฟิสิกส์นิวเคลียร์ของเลขอะตอมเทียบกับเลขมวลอะตอม จะมีเสถียรภาพมากกว่านิวไคลด์อื่นๆ ดังนั้นจึงมีโอกาสน้อยที่จะเกิดฟิชชัน พวกมันมีแนวโน้มที่จะ "ไม่สนใจ" นิวตรอนและปล่อยให้มันเคลื่อนที่ต่อไป หรือไม่ก็ดูดซับนิวตรอนแต่ไม่ได้รับพลังงานมากพอจากกระบวนการนั้นที่จะทำให้โครงสร้างนิวเคลียสเสียรูปจนเกิดฟิชชันได้ไอโซโทป"เลขคู่-เลขคู่" เหล่านี้ยังมีโอกาสน้อยที่จะเกิด ฟิชชันโดยธรรมชาติและยังมีครึ่งชีวิตย่อยที่ ยาวนานกว่า สำหรับ การสลายตัว แบบอัลฟาหรือเบตาตัวอย่างของไอโซโทปเหล่านี้ได้แก่ ยูเรเนียม-238 และทอเรียม-232ในทางกลับกัน นอกเหนือจากนิวไคลด์ที่เบาที่สุดแล้ว นิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ ( Z คี่ , N คี่ ) มักจะมีอายุสั้น (ข้อยกเว้นที่สำคัญคือเนปทูเนียม-236ซึ่งมีครึ่งชีวิต 154,000 ปี) เนื่องจากพวกมันสลายตัวได้ง่ายโดยการปล่อยอนุภาคเบตาไปเป็นไอโซบาร์ที่มีจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคู่ ( Z คู่ , N คู่ ) ซึ่งมีความเสถียรมากกว่ามาก พื้นฐานทางกายภาพของปรากฏการณ์นี้ก็มาจากผลของการจับคู่ในพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสเช่นกัน แต่ในครั้งนี้มาจากการจับคู่ระหว่างโปรตอนกับโปรตอนและนิวตรอนกับนิวตรอน ครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างสั้นของไอโซโทปหนักที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคี่เหล่านี้หมายความว่าพวกมันมีปริมาณไม่มากและมีกัมมันตภาพรังสีสูง

ตามกฎการแตกตัวที่เสนอโดย Yigal Ronen สำหรับธาตุหนักที่มีZระหว่าง 90 ถึง 100 ไอโซโทปจะแตกตัวได้ก็ต่อเมื่อ2 × Z − N ∈ {41, 43, 45 } (โดยที่N = จำนวนนิวตรอนและZ = จำนวนโปรตอน ) โดยมีข้อยกเว้นเล็กน้อย^{[ 13 ] [ 14 ]}กฎนี้ใช้ได้กับนิวไคลด์ทั้งหมด ยกเว้น 14 นิวไคลด์ – 7 นิวไคลด์ที่ตรงตามเกณฑ์แต่แตกตัวไม่ได้ และ 7 นิวไคลด์ที่แตกตัวได้แต่ไม่ตรงตามเกณฑ์^{[หมายเหตุ 1 ]}

เพื่อให้เป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์สำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันนิวเคลียร์ วัสดุนั้นต้องมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• อยู่ในบริเวณของ เส้นโค้ง พลังงานยึดเหนี่ยวที่สามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันได้ (เช่น เหนือเรเดียม )
• มีโอกาสสูงที่จะเกิดการแตกตัวเมื่อจับนิวตรอน
• โดยเฉลี่ยแล้วจะปล่อยนิวตรอนมากกว่าหนึ่งตัวต่อการจับนิวตรอนหนึ่งครั้ง (มีจำนวนมากพอในแต่ละปฏิกิริยาฟิชชัน เพื่อชดเชยการไม่เกิดฟิชชันและการดูดซับในวัสดุที่ไม่ใช่เชื้อเพลิง)
• มี ครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างยาวนาน
• จัดเตรียมให้เพียงพอในปริมาณที่เหมาะสม

นิวไคลด์ฟิสไซล์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ได้แก่:

• ยูเรเนียม-233ถูกสร้างขึ้นจากทอเรียม-232โดยการจับนิวตรอนโดยละเว้นขั้นตอนการสลายตัวระดับกลาง
• ยูเรเนียม-235ซึ่งพบได้ในยูเรเนียมธรรมชาติและยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ
• พลูโทเนียม-239ถูกสร้างขึ้นจากยูเรเนียม-238 โดยการจับนิวตรอนโดยละเว้นขั้นตอนการสลายตัวระดับกลาง
• พลูโทเนียม-241ถูกสร้างขึ้นจากพลูโทเนียม-240 โดยตรงผ่านกระบวนการจับนิวตรอน

นิวไคลด์ที่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้นั้น ไม่ได้มีโอกาส 100% ที่จะเกิดฟิชชันเมื่อดูดซับนิวตรอน โอกาสนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของนิวไคลด์และพลังงานของนิวตรอน สำหรับนิวตรอนพลังงานต่ำและปานกลาง ค่าภาค ตัดขวางการจับนิวตรอน เพื่อเกิดฟิชชัน (σ ) ค่าภาคตัดขวางการจับนิวตรอนพร้อมการปล่อยรังสีแกมมา (σ ) และเปอร์เซ็นต์ของการไม่เกิดฟิชชัน แสดงอยู่ในตารางด้านขวา

นิวไคลด์ที่มีศักยภาพในการก่อให้เกิดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ได้แก่:

• ธอร์เรียม-232ซึ่งสร้างยูเรเนียม-233 โดยการจับนิวตรอนโดยละเว้นขั้นตอนการสลายตัวระดับกลาง
• ยูเรเนียม-238ซึ่งก่อให้เกิดพลูโทเนียม-239 โดยการจับนิวตรอนโดยละเว้นขั้นตอนการสลายตัวระดับกลาง
• พลูโทเนียม-240ซึ่งสร้างพลูโทเนียม-241 โดยตรงผ่านการจับนิวตรอน

• วัสดุที่อุดมสมบูรณ์
• ผลิตภัณฑ์ฟิชชัน
• วัสดุนิวเคลียร์พิเศษ