ปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์เป็นปฏิกิริยาที่นิวเคลียสของอะตอมแตกออกเป็นนิวเคลียส ขนาดเล็กสองนิวเคลียสหรือมากกว่านั้น กระบวนการฟิชชันมักจะสร้างโฟตอนแกมมา และปล่อย พลังงานออกมาจำนวนมหาศาลแม้แต่เมื่อเทียบกับมาตรฐานพลังงานของการสลายตัวของกัมมันตรังสีก็ตาม

การแตกตัวของนิวเคลียสถูกค้นพบโดยนักเคมีOtto HahnและFritz Strassmannและนักฟิสิกส์Lise MeitnerและOtto Robert Frisch Hahn และ Strassmann พิสูจน์ว่าปฏิกิริยาการแตกตัวเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 19 ธันวาคม พ.ศ. 2481 และ Meitner กับหลานชายของเธอ Frisch อธิบายในเชิงทฤษฎีในเดือนมกราคม พ.ศ. 2482 Frisch ตั้งชื่อกระบวนการนี้ว่า "การแตกตัว" โดยเปรียบเทียบกับการแตกตัวทางชีวภาพของเซลล์สิ่งมีชีวิต ตามที่Richard Rhodes กล่าวไว้ แนวคิดนี้เกิดขึ้นในการสนทนากับนักฟิสิกส์William A. Arnoldซึ่งเสนอ "การแตกตัวแบบไบนารี" ^{[ 1 ] : 263} ในการตีพิมพ์ครั้งที่สองเกี่ยวกับการแตกตัวของนิวเคลียสในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2482 Hahn และ Strassmann ทำนายการมีอยู่และการปลดปล่อยนิวตรอน เพิ่มเติม ในระหว่างกระบวนการแตกตัว ซึ่งเปิดโอกาสความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

สำหรับนิวไคลด์ หนัก ปฏิกิริยาฟิชชัน เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนซึ่งปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมาก ทั้งในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนที่แตกตัว ( ทำให้ วัสดุบริเวณที่เกิดฟิชชันร้อนขึ้น ) เช่นเดียวกับ ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์เพื่อให้ฟิชชันผลิตพลังงานได้พลังงานยึดเหนี่ยว รวม ของธาตุที่เกิดขึ้นต้องมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวรวมของธาตุเริ่มต้นนอกจากนี้ยังต้องเอาชนะ อุปสรรค ของฟิชชันด้วย นิวไคลด์ที่ แตกตัวได้ ง่ายส่วนใหญ่จะแตกตัวจากปฏิกิริยากับนิวตรอนเร็วในขณะที่ นิวไคลด์ ที่แตกตัวได้ง่ายจะแตกตัวจากปฏิกิริยากับนิวตรอน "ช้า" หรือนิวตรอนความร้อนซึ่งมักเกิดจากการลดความเร็วของนิวตรอนเร็ว

การแตกตัวเป็นรูปแบบหนึ่งของการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียร์เนื่องจากชิ้นส่วนที่เกิดขึ้น (หรืออะตอมลูก) ไม่ใช่ธาตุ เดียว กับอะตอมแม่เดิม นิวเคลียสสอง (หรือมากกว่า) ที่ผลิตขึ้นมักจะมีขนาดใกล้เคียงกันแต่แตกต่างกันเล็กน้อย โดยทั่วไปจะมีอัตราส่วนมวลของผลิตภัณฑ์ประมาณ 3 ต่อ 2 สำหรับไอโซโทปที่ แตกตัวได้ทั่วไป ^{[ 2 ] [ 3 ]}การแตกตัวส่วนใหญ่เป็นการแตกตัวแบบไบนารี (ผลิตชิ้นส่วนที่มีประจุสองชิ้น) แต่บางครั้ง (2 ถึง 4 ครั้งต่อ 1000 เหตุการณ์) จะผลิตชิ้นส่วนที่มีประจุบวกสามชิ้น ใน การแตกตัวแบบเทอร์นารีชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดในกระบวนการเทอร์นารีมีขนาดตั้งแต่โปรตอนถึงนิวเคลียส อาร์กอน

นอกเหนือจากการแตกตัวที่เกิดจาก นิวตรอน ภายนอกซึ่งมนุษย์ได้นำมาใช้ประโยชน์แล้ว การสลายตัวของกัมมันตรังสีแบบธรรมชาติ (ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้นิวตรอนภายนอก เนื่องจากนิวเคลียสมีนิวตรอนมากเกินไปอยู่แล้ว) ก็เรียกว่าการแตกตัวเช่นกัน และเกิดขึ้นโดยเฉพาะในไอโซโทปที่มีเลขมวลสูงมากการแตกตัวแบบธรรมชาติถูกค้นพบในปี 1940 โดยFlyorov , PetrzhakและKurchatov ^{[ 4 ]}ในมอสโก ในทางตรงกันข้ามกับปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์ซึ่งเป็นแรงขับเคลื่อนการก่อตัวของดาวฤกษ์และการพัฒนาของดาวฤกษ์ การแตกตัวของนิวเคลียร์อาจถือได้ว่ามีผลกระทบต่อวิวัฒนาการของจักรวาลน้อยมาก อย่างไรก็ตามเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แตกตัวตามธรรมชาติอาจเกิดขึ้นได้ภายใต้เงื่อนไขที่หายากมาก ดังนั้น ธาตุทั้งหมด (ยกเว้นบางกรณี ดู "การแตกตัวโดยธรรมชาติ") ซึ่งมีความสำคัญต่อการก่อตัวของระบบสุริยะ ดาวเคราะห์ และสิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบ จึงไม่ใช่ผลผลิตจากการแตกตัว แต่เป็นผลมาจากกระบวนการหลอมรวมนิวเคลียส

องค์ประกอบที่ไม่สามารถคาดเดาได้ของผลิตภัณฑ์ (ซึ่งแปรผันไปในลักษณะความน่าจะเป็นที่กว้างและค่อนข้างไร้ระเบียบ) ทำให้ปฏิกิริยาฟิชชันแตกต่างจาก กระบวนการ อุโมงค์ควอนตัม บริสุทธิ์ เช่นการปล่อยโปรตอน การสลายตัว ของอัลฟาและ การสลาย ตัวของกลุ่มอนุภาคซึ่งให้ผลิตภัณฑ์เดียวกันทุกครั้ง ปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์ผลิตพลังงานสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และขับเคลื่อนการระเบิดของอาวุธนิวเคลียร์การใช้งานทั้งสองอย่างเป็นไปได้เพราะสารบางชนิดที่เรียกว่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ จะเกิดฟิชชันเมื่อถูกนิวตรอนฟิชชันชน และในทางกลับกันจะปล่อยนิวตรอนออกมาเมื่อแตกตัว สิ่งนี้ทำให้เกิด ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ยั่งยืนได้ปล่อยพลังงานในอัตราที่ควบคุมได้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือในอัตราที่รวดเร็วและควบคุมไม่ได้ในอาวุธนิวเคลียร์

ปริมาณพลังงานอิสระที่ปล่อยออกมาจากการแตกตัวของอนุภาคที่มีปริมาณเท่ากัน²³⁵U มีปริมาณมากกว่าที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้ มีเทนหรือจากเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนถึงล้านเท่า^{[ 5 ]}

อย่างไรก็ตาม ผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวของนิวเคลียสโดยเฉลี่ยแล้วมีกัมมันตภาพรังสี สูง กว่าธาตุหนักที่ปกติถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิง และยังคงมีกัมมันตภาพรังสีอยู่เป็นเวลานาน ทำให้เกิด ปัญหา ขยะนิวเคลียร์ แต่ ผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวของนิวเคลียสที่มีอายุยืนยาวทั้งเจ็ดชนิดนั้นคิดเป็นเพียงส่วนน้อยของผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวของนิวเคลียสทั้งหมดการดูดซับนิวตรอนที่ไม่นำไปสู่การแตกตัวของนิวเคลียสจะทำให้เกิดพลูโทเนียม (จาก²³⁸U ) และแอกทิไนด์รอง (จากทั้ง U และ U)²³⁵ยูและ²³⁸ยูเรเนียม (U ) ซึ่งมีความเป็นพิษต่อรังสีสูงกว่าผลิตภัณฑ์ฟิสชันที่มีอายุยืนยาวมาก ความกังวลเกี่ยวกับการสะสมของกากกัมมันตรังสีและศักยภาพในการทำลายล้างของอาวุธนิวเคลียร์เป็นสิ่งที่ถ่วงดุลความปรารถนาอย่างสันติในการใช้ ฟิ สชันเป็นแหล่งพลังงานวงจรเชื้อเพลิงทอเรียมแทบจะไม่ผลิตพลูโทเนียมและแอคติไนด์รองน้อยกว่ามาก แต่²³²ยูเรเนียมหรือผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวของมัน เป็นตัวปล่อยรังสีแกมมาที่สำคัญ ธาตุแอคติไนด์ทั้งหมดสามารถแตกตัวได้และเครื่องแบบเร่งปฏิกิริยาเร็วสามารถแตกตัวธาตุเหล่านี้ได้ทั้งหมด แม้ว่าจะทำได้เฉพาะในบางรูปแบบเท่านั้นกระบวนการแปรรูปนิวเคลียร์มีจุดมุ่งหมายเพื่อกู้คืนวัสดุที่ใช้ได้จากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วเพื่อให้ยูเรเนียม (และทอเรียม) มีใช้ได้นานขึ้น และลดปริมาณ "ของเสีย" ศัพท์ทางอุตสาหกรรมสำหรับกระบวนการที่แตกตัวธาตุแอคติไนด์ทั้งหมดหรือเกือบทั้งหมดคือ "วงจรเชื้อเพลิงปิด "

Younes และ Loveland นิยามการแตกตัวของนิวเคลียสว่า "...การเคลื่อนที่แบบรวมกลุ่มของโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียส และด้วยเหตุนี้จึงสามารถแยกแยะได้จากปรากฏการณ์อื่นๆ ที่ทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียส การแตกตัวของนิวเคลียสเป็นตัวอย่างสุดขั้วของการเคลื่อนที่แบบรวมกลุ่มที่มีแอมพลิจูดขนาดใหญ่ซึ่งส่งผลให้นิวเคลียสแม่แบ่งออกเป็นนิวเคลียสชิ้นส่วนสองหรือมากกว่านั้น กระบวนการแตกตัวของนิวเคลียสสามารถเกิดขึ้นเองได้ หรือสามารถถูกกระตุ้นโดยอนุภาคที่ตกกระทบ" พลังงานจากปฏิกิริยาการแตกตัวของนิวเคลียสเกิดจากผลิตภัณฑ์การแตกตัวของนิวเคลียสแม้ว่าส่วนใหญ่ประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์จะพบในพลังงานจลน์ ของชิ้นส่วน ในขณะที่ประมาณ 6 เปอร์เซ็นต์มาจากนิวตรอนและรังสีแกมมาเริ่มต้น และรังสีแกมมาที่ปล่อยออกมาหลังจากการสลายตัวแบบเบตาบวกกับประมาณ 3 เปอร์เซ็นต์จากนิวตริโนซึ่งเป็นผลผลิตของการสลายตัวดังกล่าว^{[ 5 ] : 21–22, 30}

การแตกตัวของนิวเคลียสสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องมีการชนของนิวตรอนในรูปแบบของการสลายตัวของกัมมันตรังสี การแตกตัวแบบนี้เรียกว่าการแตกตัวแบบเกิดขึ้นเองและถูกสังเกตครั้งแรกในปี พ.ศ. 2483 ^{[ 5 ] : 22}

ระหว่างการแตกตัวแบบเหนี่ยวนำ ระบบประกอบจะเกิดขึ้นหลังจากอนุภาคตกกระทบหลอมรวมกับเป้าหมาย พลังงานกระตุ้นที่เกิดขึ้นอาจเพียงพอที่จะปล่อยนิวตรอนหรือรังสีแกมมา และการแตกตัวของนิวเคลียส การแตกตัวเป็นสองชิ้นส่วนเรียกว่าการแตกตัวแบบไบนารี และเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ ที่พบได้ บ่อยที่สุดการแตกตัวแบบเทอร์นารีซึ่งปล่อยอนุภาคที่สามออกมานั้นเกิดขึ้นน้อยที่สุด อนุภาคที่สามนี้มักจะเป็นอนุภาคอัลฟา [ ^{5 ] : 21–24} เนื่องจากในการแตกตัวของนิวเคลียส นิวเคลียสจะปล่อยนิวตรอนมากกว่าที่มันดูดซับ จึงอาจเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ได้ ^{[ 1 ] : 291, 296}

การแตกตัวแบบไบนารีอาจก่อให้เกิดผลิตภัณฑ์การแตกตัวใดๆ ก็ได้ ที่ 95±15 และ 135±15 ดาลตันตัวอย่างหนึ่งของการแตกตัวแบบไบนารีในนิวไคลด์ที่แตกตัวได้ ที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด คือ²³⁵Uมีค่าดังนี้:

${\displaystyle \ {}^{235}\mathrm {U} +\mathrm {n} \longrightarrow {}^{236}\mathrm {U} ^{*}\longrightarrow {}^{95}\mathrm {Sr} +{}^{139}\mathrm {Xe} +2\ \mathrm {n} +180\ \mathrm {MeV} }$

อย่างไรก็ตาม กระบวนการแบบไบนารีเกิดขึ้นเพียงเพราะเป็นกระบวนการที่มีโอกาสเกิดขึ้นมากที่สุด ในการแตกตัวแบบไบนารี 2 ถึง 4 ครั้งต่อ 1,000 ครั้งในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การแตกตัวแบบไตรนารีสามารถสร้างชิ้นส่วนที่มีประจุบวก 3 ชิ้น (บวกนิวตรอน) และชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดอาจมีประจุและมวลน้อยมากเท่ากับโปรตอน ( Z  = 1) ไปจนถึงชิ้นส่วนขนาดใหญ่เท่ากับอาร์กอน ( Z  = 18) อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนขนาดเล็กที่พบได้บ่อยที่สุดประกอบด้วยนิวเคลียสฮีเลียม-4 90% ซึ่งมีพลังงานมากกว่าอนุภาคอัลฟาจากการสลายตัวแบบอัลฟา (ที่เรียกว่า "อัลฟาระยะไกล" ที่ประมาณ 16 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV)) บวกกับนิวเคลียสฮีเลียม-6 และไตรตอน (นิวเคลียสของทริเทียม ) แม้ว่าจะพบได้น้อยกว่าการแตกตัวแบบไบนารี แต่ก็ยังทำให้เกิดการสะสมของก๊าซฮีเลียม-4 และทริเทียมจำนวนมากในแท่งเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สมัยใหม่^{[ 6 ]}

บอร์และวีลเลอร์ใช้แบบจำลองหยดของเหลวเส้นโค้งความหนาแน่นของการบรรจุของอาร์เธอร์ เจฟฟรีย์ เดมป์สเตอร์และการประมาณรัศมีนิวเคลียสและแรงตึงผิวของยูจีน ฟีนเบิร์ก เพื่อประมาณความแตกต่างของมวลระหว่างนิวเคลียสแม่และนิวเคลียสลูกในการแตกตัว จากนั้นพวกเขาเทียบความแตกต่างของมวลนี้กับพลังงานโดยใช้ สูตร สมดุลมวล-พลังงาน ของไอน์สไตน์ การกระตุ้นนิวเคลียสหลังจากการชนด้วยนิวตรอนนั้นคล้ายคลึงกับการสั่นของหยดของเหลว โดยมีแรงตึงผิวและแรงคูลอมบ์อยู่ในทิศทางตรงกันข้าม เมื่อพล็อตผลรวมของพลังงานทั้งสองนี้เป็นฟังก์ชันของรูปร่างที่ยาว พวกเขาพบว่าพื้นผิวพลังงานที่ได้มีรูปร่างคล้ายอานม้า อานม้านี้เป็นกำแพงพลังงานที่เรียกว่ากำแพงพลังงานวิกฤต พลังงานประมาณ 6 MeV ที่ได้จากนิวตรอนที่ตกกระทบนั้นจำเป็นต้องใช้เพื่อเอาชนะกำแพงนี้และทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียส^{[ 5 ] : 10–11 [ 7 ] [ 8 ]}ตามที่ John Lilley กล่าวไว้ว่า "พลังงานที่จำเป็นในการเอาชนะอุปสรรคต่อการแตกตัวเรียกว่าพลังงานกระตุ้นหรืออุปสรรคการแตกตัวและมีค่าประมาณ 6 MeV สำหรับA  ≈ 240 พบว่าพลังงานกระตุ้นลดลงเมื่อ A เพิ่มขึ้น ในที่สุดจะถึงจุดที่พลังงานกระตุ้นหายไปโดยสิ้นเชิง...มันจะเกิดการแตกตัวแบบเกิดขึ้นเองอย่างรวดเร็วมาก" ^{[ 9 ]}

ต่อมา มาเรีย เกิปเปิร์ต เมเยอร์ได้เสนอแบบจำลองเปลือกนิวเคลียร์สำหรับนิวเคลียส นิวไคลด์ที่สามารถก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันได้นั้นเหมาะสมที่จะใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่พบได้บ่อยที่สุดคือ^235U (ไอโซโทปของยูเรเนียมที่มีเลขมวล 235 และใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์) และ^239Pu (ไอโซโทปของพลูโทเนียมที่มีเลขมวล 239) เชื้อเพลิงเหล่านี้จะแตกตัวออกเป็นธาตุเคมีในช่วงสองโหมดที่มีมวลอะตอมใกล้เคียง 95 และ 135 ดาลตัน ( ผลิตภัณฑ์ฟิชชัน ) เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ส่วนใหญ่จะเกิดฟิชชันเองได้ช้ามาก แต่จะสลายตัวเป็นหลักผ่านลูกโซ่การสลายตัวแบบอัลฟา - เบตา ในช่วงเวลาหลายพันปีถึงหลายล้านปีในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรืออาวุธนิวเคลียร์ เหตุการณ์ฟิชชันส่วนใหญ่เกิดจากการชนกับอนุภาคอื่น คือ นิวตรอน ซึ่งผลิตขึ้นจากเหตุการณ์ฟิชชันก่อนหน้านี้

ไอโซโทป ที่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้เช่น ยูเรเนียม-238 จำเป็นต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมจากนิวตรอนเร็ว (เช่น นิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันในอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ ) แม้ว่านิวตรอนบางส่วน ที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชันของ...²³⁸ยูมีความเร็วพอที่จะกระตุ้นให้เกิดการแตกตัวอีกครั้งใน²³⁸ส่วนใหญ่ไม่ใช่ ซึ่งหมายความว่ามันไม่สามารถบรรลุสภาวะวิกฤตได้ แม้ว่าจะมีโอกาสน้อยมาก (แต่ไม่ใช่ศูนย์) ที่นิวตรอนความร้อนจะทำให้เกิดการแตกตัวใน U ก็ตาม²³⁸สำหรับU การดูดซับนิวตรอนมีโอกาสเกิดขึ้นมากกว่าหลายเท่าตัว

พื้นที่หน้าตัดการแตกตัวเป็นคุณสมบัติที่วัดได้ซึ่งเกี่ยวข้องกับความน่าจะเป็นที่การแตกตัวจะเกิดขึ้นในปฏิกิริยานิวเคลียร์ พื้นที่หน้าตัดเป็นฟังก์ชันของพลังงานนิวตรอนที่ตกกระทบ และค่าเหล่านั้นสำหรับ²³⁵ยูและ²³⁹มีค่า Puสูงกว่าล้านเท่า²³⁸ยูเรเนียมที่ระดับพลังงานนิวตรอนต่ำกว่า การดูดซับนิวตรอนใดๆ จะทำให้นิวเคลียสมีพลังงานยึดเหนี่ยวประมาณ 5.3 MeV²³⁸ยูเรเนียมต้องการนิวตรอนเร็วเพื่อเพิ่มพลังงานอีก 1 MeV ที่จำเป็นในการข้ามกำแพงพลังงานวิกฤตสำหรับการแตกตัว ในกรณีของ²³⁵อย่างไรก็ตามพลังงานส่วนเกินนั้นจะได้รับเมื่อ²³⁵ค่า Uจะปรับจากมวลคี่ไปเป็นมวลคู่ ตามคำกล่าวของ Younes และ Lovelace ว่า "...การดูดซับนิวตรอนบน...²³⁵เป้าหมายU ก่อตัวเป็น²³⁶นิวเคลียส Uที่มีพลังงานกระตุ้นมากกว่าพลังงานฟิชชันวิกฤต ในขณะที่ในกรณีของn +²³⁸Uซึ่งเป็นผลลัพธ์²³⁹นิวเคลียส Uมีพลังงานกระตุ้นต่ำกว่าพลังงานฟิชชันวิกฤต" ^{[ 5 ] : 25–28 [ 1 ] : 282–287 [ 10 ] [ 11 ]}

พลังงานประมาณ 6 MeV ที่ป้อนเข้าสู่ปฏิกิริยาฟิชชันนั้น มาจากการยึดเกาะอย่างง่ายของนิวตรอนเพิ่มเติมกับนิวเคลียสหนักผ่านแรงนิวเคลียร์แบบแรง อย่างไรก็ตาม ในไอโซโทปที่สามารถเกิดฟิชชันได้หลายชนิด พลังงานจำนวนนี้ไม่เพียงพอสำหรับการเกิดฟิชชัน ตัวอย่างเช่น ยูเรเนียม-238 มีค่าภาคตัดขวางของฟิชชันเกือบเป็นศูนย์สำหรับนิวตรอนที่มีพลังงานน้อยกว่า 1 MeV หากไม่มีพลังงานเพิ่มเติมจากกลไกอื่นใด นิวเคลียสจะไม่เกิดฟิชชัน แต่จะดูดซับนิวตรอนเข้าไปเท่านั้น ดังที่เกิดขึ้นเมื่อ²³⁸ยูเรเนียมดูดซับนิวตรอนความเร็วต่ำและแม้แต่นิวตรอนความเร็วสูงบางส่วน เพื่อกลายเป็น²³⁹พลังงานที่เหลือเพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาฟิชชันสามารถได้รับจากกลไกอื่นอีกสองกลไก: กลไกหนึ่งคือพลังงานจลน์ที่มากขึ้นของนิวตรอนที่เข้ามา ซึ่งจะสามารถทำให้แกน หนัก ที่สามารถ เกิดฟิ ช ชันได้มากขึ้น เมื่อพลังงานจลน์เกิน 1 MeV หรือมากกว่า (เรียกว่านิวตรอนเร็ว) นิวตรอนพลังงานสูงดังกล่าวสามารถทำให้แกนหนักเกิดฟิชชันได้²³⁸โดยตรง (ดู ตัวอย่างการ ประยุกต์ใช้ในอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ซึ่งนิวตรอนเร็วได้มาจากปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์) อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้มากนักในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เนื่องจากนิวตรอนฟิสชันที่ผลิตได้จากปฏิกิริยาฟิสชันทุกประเภทมีเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่มีพลังงานเพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิสชันได้อย่างมีประสิทธิภาพ²³⁸ยู (ตัวอย่างเช่น นิวตรอนจากการแตกตัวด้วยความร้อนของ²³⁵Uมี พลังงาน เฉลี่ย 2 MeV พลังงาน มัธยฐาน 1.6 MeV และโหมด 0.75 MeV ^{[ 12 ] [ 13 ]}และสเปกตรัมพลังงานสำหรับการแตกตัวเร็วก็คล้ายกัน)

อย่างไรก็ตาม ในบรรดาธาตุ แอคติไนด์หนักไอโซโทปที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ (เช่น²³⁵ U ที่มี 143 นิวตรอน) จะดึงดูดนิวตรอนเพิ่มอีกหนึ่งตัวด้วยพลังงานเพิ่มเติม 1 ถึง 2 MeV มากกว่าไอโซโทปของธาตุเดียวกันที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคู่ (เช่น²³⁸ U ที่มี 146 นิวตรอน) พลังงานการดึงดูดที่เพิ่มขึ้นนี้เกิดขึ้นจากกลไกของผลกระทบการจับคู่ของนิวตรอนซึ่งเกิดจากหลักการกีดกันของเปาลีทำให้มีนิวตรอนเพิ่มอีกหนึ่งตัวสามารถเข้าไปอยู่ในวงโคจรนิวเคลียร์เดียวกันกับนิวตรอนตัวสุดท้ายในนิวเคลียสได้ ดังนั้น ในไอโซโทปดังกล่าว จึงไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานจลน์ของนิวตรอน เนื่องจากพลังงานที่จำเป็นทั้งหมดได้มาจากการดูดซับนิวตรอน ไม่ว่าจะเป็นนิวตรอนช้าหรือนิวตรอนเร็ว (นิวตรอนช้าใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบหน่วงนิวตรอน และนิวตรอนเร็วใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วและในอาวุธนิวเคลียร์)

ตามที่ Younes และ Loveland กล่าวไว้ว่า "แอกทิไนด์ เช่น"²³⁵ยูเรเนียมที่สามารถแตกตัวได้ง่ายหลังจากการดูดซับนิวตรอนความร้อน (25 meV) เรียกว่า ยูเรเนียมฟิสไซล์ ในขณะที่ยูเรเนียมชนิดอื่นๆ เช่น ยูเรเนียมที่สามารถแตกตัวได้ง่ายหลังจากการดูดซับนิวตรอนความร้อน (25 meV) เรียกว่า ยูเรเนียมฟิสไซล์²³⁸ยูเรเนียมที่ไม่เกิดการแตกตัวได้ง่ายเมื่อดูดซับนิวตรอนความร้อนเรียกว่ายูเรเนียมที่สามารถแตกตัวได้ ” ^{[ 5 ] : 25}

หลังจากอนุภาคที่ตกกระทบรวมเข้ากับนิวเคลียสแม่แล้ว หากพลังงานกระตุ้นเพียงพอ นิวเคลียสจะแตกออกเป็นชิ้นส่วน กระบวนการนี้เรียกว่าการแตกตัว (scission) และเกิดขึ้นประมาณ 10 ⁻²⁰วินาที ชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถปล่อยนิวตรอนแบบฉับพลันได้ระหว่าง 10 ⁻¹⁸ถึง 10 ⁻¹⁵วินาที และประมาณ 10 ⁻¹¹วินาที ชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถปล่อยรังสีแกมมาได้ ในเวลา 10 ⁻³วินาที การสลายตัวแบบเบตานิวตรอนแบบเบตาหน่วงและรังสีแกมมาจะถูกปล่อยออกมาจากผลิตภัณฑ์การสลายตัว^{[ 5 ] : 23–24}

โดยทั่วไปแล้ว ปฏิกิริยาฟิชชันจะปล่อย พลังงานประมาณ 200 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (200 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์) ต่อปฏิกิริยาหนึ่งครั้ง ไอโซโทปที่เกิดฟิชชัน และไม่ว่าจะเป็นไอโซโทปที่สามารถเกิดฟิชชันได้หรือไม่นั้น มีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมา สามารถเห็นได้ง่ายๆ จากการตรวจสอบกราฟ พลังงานยึดเหนี่ยว (ภาพด้านล่าง) และสังเกตว่าพลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยของนิวไคลด์แอคติไนด์ เริ่มต้นด้วยยูเรเนียม อยู่ที่ประมาณ 7.6 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ต่อหนึ่งนิวคลีออน เมื่อมองไปทางซ้ายของกราฟพลังงานยึดเหนี่ยว ซึ่งเป็นบริเวณที่ผลิตภัณฑ์ฟิชชันกระจุกตัวอยู่ จะสังเกตได้ง่ายว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของผลิตภัณฑ์ฟิชชันมีแนวโน้มที่จะอยู่ตรงกลางประมาณ 8.5 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ต่อหนึ่งนิวคลีออน ดังนั้น ในปฏิกิริยาฟิชชันใดๆ ของไอโซโทปในช่วงมวลแอคติไนด์ จะมีการปล่อยพลังงานประมาณ 0.9 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ต่อหนึ่งนิวคลีออนของธาตุเริ่มต้น การแตกตัวของ²³⁵ U โดยนิวตรอนช้าให้พลังงานเกือบเท่ากับการแตกตัวของ²³⁸ U โดยนิวตรอนเร็ว โปรไฟล์การปลดปล่อยพลังงานนี้ใช้ได้กับธอร์เรียมและแอคติไนด์รองต่างๆ เช่นกัน^{[ 14 ]}

เมื่อ นิวเคลียสของ ยูเรเนียมแตกตัวเป็นนิวเคลียสลูกสองตัว พลังงานการแตกตัวประมาณ 0.1 เปอร์เซ็นต์ของมวลของนิวเคลียสยูเรเนียม^{[ 15 ]}จะปรากฏเป็นพลังงานการแตกตัวประมาณ 200 MeV สำหรับยูเรเนียม-235 (พลังงานการแตกตัวเฉลี่ยทั้งหมด 202.79 MeV ^{[ 16 ]} ) โดยทั่วไปพลังงานจลน์ของนิวเคลียสลูกจะอยู่ที่ประมาณ 169 MeV ซึ่งแยกออกจากกันด้วยความเร็วประมาณ 3% ของความเร็วแสง เนื่องจากการผลักกันของคูลอมบ์นอกจากนี้ ยังมีการปล่อยนิวตรอนออกมาโดยเฉลี่ย 2.5 ตัว โดยมี พลังงานจลน์ เฉลี่ยต่อนิวตรอนประมาณ 2 MeV (รวม 4.8 MeV) ^{[ 17 ]} ปฏิกิริยาการแตกตัวยังปล่อย โฟตอนรังสีแกมมาแบบฉับพลันประมาณ 7 MeV ออกมาด้วย ตัวเลขหลังนี้หมายความว่าการระเบิดนิวเคลียร์ฟิชชันหรืออุบัติเหตุวิกฤตจะปล่อยพลังงานออกมาประมาณ 3.5% ในรูปของรังสีแกมมา น้อยกว่า 2.5% ในรูปของนิวตรอนเร็ว (รวมทั้งสองประเภทของรังสีประมาณ 6%) และส่วนที่เหลือเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนฟิชชัน (ซึ่งปรากฏขึ้นเกือบจะทันทีเมื่อชิ้นส่วนกระทบกับสสารโดยรอบในรูปของความร้อน) ^{[ 18 ] [ 19 ]}

กระบวนการบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับนิวตรอนนั้นโดดเด่นในเรื่องการดูดซับหรือการให้พลังงานในที่สุด ตัวอย่างเช่น พลังงานจลน์ของนิวตรอนจะไม่ให้ความร้อนทันทีหากนิวตรอนถูกจับโดยอะตอมของยูเรเนียม-238 เพื่อสร้างพลูโทเนียม-239 แต่พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมาหากพลูโทเนียม-239 เกิดการแตกตัวในภายหลัง ในทางกลับกันนิวตรอนที่เรียกว่านิวตรอนหน่วง ซึ่งถูกปล่อยออกมาเป็นผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวของกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตนานถึงหลายนาที จากอนุภาคที่เกิดจากการแตกตัวนั้น มีความสำคัญมากต่อการควบคุมเครื่องปฏิกรณ์เพราะมันให้เวลา "ปฏิกิริยา" ที่เป็นลักษณะเฉพาะสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหมดที่จะเพิ่มขนาดเป็นสองเท่า หากปฏิกิริยาเกิดขึ้นในโซน " วิกฤตหน่วง " ซึ่งจงใจใช้ประโยชน์จากนิวตรอนเหล่านี้สำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่เหนือวิกฤต (ซึ่งแต่ละรอบการแตกตัวจะให้ผลผลิตนิวตรอนมากกว่าที่ดูดซับ) หากปราศจากการมีอยู่ของพวกมัน ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์จะเกิดวิกฤตทันทีและขยายขนาดได้เร็วกว่าที่มนุษย์จะควบคุมได้ ในกรณีนี้ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูทดลองเครื่องแรกจะเกิดปฏิกิริยาวิกฤตทันทีที่อันตรายและยุ่งเหยิง ก่อนที่ผู้ปฏิบัติงานจะสามารถปิดเครื่องด้วยตนเองได้ (ด้วยเหตุนี้ นักออกแบบEnrico Fermiจึงได้รวมแท่งควบคุมที่กระตุ้นด้วยรังสี ซึ่งแขวนไว้ด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสามารถตกลงสู่ศูนย์กลางของChicago Pile-1 ได้โดยอัตโนมัติ ) หากนิวตรอนที่ล่าช้าเหล่านี้ถูกจับโดยไม่ก่อให้เกิดการแตกตัว พวกมันก็จะสร้างความร้อนเช่นกัน^{[ 20 ]}

พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสคือผลต่างระหว่างพลังงานมวลนิ่งของนิวเคลียสและพลังงานมวลนิ่งของนิวคลีออนนิวตรอนและโปรตอน สูตรพลังงานยึดเหนี่ยวประกอบด้วยเทอมพลังงานปริมาตร พลังงานพื้นผิว และพลังงานคูลอมบ์ ซึ่งรวมถึงสัมประสิทธิ์ที่ได้มาจากการทดลองสำหรับทั้งสามเทอม บวกกับอัตราส่วนพลังงานของนิวเคลียสที่ผิดรูปเมื่อเทียบกับรูปทรงกลมสำหรับเทอมพื้นผิวและคูลอมบ์ เทอมเพิ่มเติมสามารถรวมได้ เช่น สมมาตร การจับคู่ ช่วงจำกัดของแรงนิวเคลียร์ และการกระจายประจุภายในนิวเคลียสเพื่อปรับปรุงการประมาณค่า^{[ 5 ] : 46–50} โดยปกติพลังงานยึดเหนี่ยวจะถูกอ้างถึงและพล็อตเป็นพลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยต่อนิวคลีออน^{[ 9 ]}

ตามที่ลิลลีย์กล่าวไว้ว่า "พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสBคือพลังงานที่จำเป็นในการแยกมันออกเป็นนิวตรอนและโปรตอนที่เป็นส่วนประกอบ" ^{[ 9 ]} โดยที่Aคือเลขมวล Z คือเลขอะตอมm คือมวลอะตอมของอะตอมไฮโดรเจนm คือมวลของนิวตรอน และcคือความเร็วแสงดังนั้น มวลของอะตอมจึงน้อยกว่ามวลของโปรตอนและนิวตรอนที่เป็นส่วนประกอบ โดยสมมติว่าพลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยของอิเล็กตรอนนั้นน้อยมาก พลังงานยึดเหนี่ยวBแสดงในหน่วยพลังงานโดยใช้ ความสัมพันธ์ สมดุลมวล-พลังงาน ของไอน์สไตน์ พลังงานยึดเหนี่ยวยังให้ค่าประมาณของพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากการแตกตัวอีกด้วย^{[ 9 ]}$${\displaystyle m(\mathbf {A} ,\mathbf {Z} )=\mathbf {Z} m_{H}+\mathbf {N} m_{n}-\mathbf {B} /c^{2}}$$

เส้นโค้งของพลังงานยึดเหนี่ยวมีลักษณะเป็นค่าสูงสุดกว้างๆ ใกล้เลขมวล 60 ที่ 8.6 MeV จากนั้นค่อยๆ ลดลงเหลือ 7.6 MeV ที่เลขมวลสูงสุด เลขมวลที่สูงกว่า 238 นั้นหายาก ที่ปลายด้านเบาของมาตราส่วน จะสังเกตเห็นจุดสูงสุดสำหรับฮีเลียม-4 และตัวคูณ เช่น เบริลเลียม-8 คาร์บอน-12 ออกซิเจน-16 นีออน-20 และแมกนีเซียม-24 พลังงานยึดเหนี่ยวเนื่องจากแรงนิวเคลียร์เข้าใกล้ค่าคงที่สำหรับA ขนาดใหญ่ ในขณะที่แรงคูลอมบ์กระทำในระยะทางที่ไกลกว่า ดังนั้นพลังงานศักย์ไฟฟ้าต่อโปรตอนจึงเพิ่มขึ้นเมื่อZเพิ่มขึ้น พลังงานฟิสชันจะถูกปล่อยออกมาเมื่อAมีค่ามากกว่าประมาณ 60 พลังงานฟิวชันจะถูกปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสที่เบากว่ารวมตัวกัน^{[ 9 ]}

สูตรมวลกึ่งเชิงประจักษ์ของ Carl Friedrich von Weizsäcker อาจใช้เพื่อแสดงพลังงานยึดเหนี่ยวเป็นผลรวมของห้าเทอม ซึ่งได้แก่ พลังงานปริมาตร การแก้ไขพื้นผิว พลังงานคูลอมบ์ เทอมสมมาตร และเทอมการจับคู่: ^{[ 9 ]}

$${\displaystyle B=a_{v}\mathbf {A} -a_{s}\mathbf {A} ^{2/3}-a_{c}{\frac {\mathbf {Z} ^{2}}{\mathbf {A} ^{1/3}}}-a_{a}{\frac {(\mathbf {N} -\mathbf {Z} )^{2}}{\mathbf {A} }}\pm \Delta }$$ โดยที่พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสเป็นสัดส่วนกับปริมาตรของนิวเคลียส ในขณะที่นิวคลีออนที่อยู่ใกล้พื้นผิวมีปฏิสัมพันธ์กับนิวคลีออนจำนวนน้อยกว่า ทำให้ผลของเทอมปริมาตรลดลง ตามที่ลิลลีย์กล่าวไว้ว่า "สำหรับนิวเคลียสที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติทั้งหมด เทอมพลังงานพื้นผิวจะมีอิทธิพลเหนือกว่า และนิวเคลียสจะอยู่ในสภาวะสมดุล" การมีส่วนร่วมเชิงลบของพลังงานคูลอมบ์เกิดจากแรงผลักทางไฟฟ้าของโปรตอน เทอมสมมาตรเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าแรงที่มีประสิทธิภาพในนิวเคลียสจะแข็งแกร่งกว่าสำหรับคู่ของนิวตรอน-โปรตอนที่ไม่เหมือนกัน มากกว่าคู่ของนิวตรอน-นิวตรอนหรือโปรตอน-โปรตอน เทอมการจับคู่เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่านิวคลีออนที่เหมือนกันจะก่อตัวเป็นคู่สปินศูนย์ในสถานะเชิงพื้นที่เดียวกัน การจับคู่จะเป็นบวกหากNและZเป็นเลขคู่ทั้งคู่ ซึ่งจะเพิ่มพลังงานยึดเหนี่ยว^{[ 9 ]}

ในการแตกตัวของนิวเคลียส มีแนวโน้มที่จะเกิดชิ้นส่วนแตกตัวที่มีค่าZ เป็นเลขคู่ ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์เลขคี่-เลขคู่ต่อการกระจายประจุของชิ้นส่วน สามารถสังเกตได้จาก ข้อมูล ผลผลิตชิ้นส่วน ที่ได้จากการทดลอง สำหรับผลิตภัณฑ์แตกตัวแต่ละชนิด โดยผลิตภัณฑ์ที่มีค่าZ เป็นเลขคู่ จะมีค่าผลผลิตสูงกว่า อย่างไรก็ตาม ไม่พบปรากฏการณ์เลขคี่-เลขคู่ต่อการกระจายชิ้นส่วนโดยพิจารณาจากค่าAผลลัพธ์นี้เกิดจากการแตกตัวของคู่ของนิวคลีออน

ในเหตุการณ์ฟิชชันนิวเคลียร์ นิวเคลียสอาจแตกออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่าในรูปแบบใดก็ได้ แต่เหตุการณ์ที่พบบ่อยที่สุดไม่ใช่การแตกออกเป็นนิวเคลียสที่มีมวลเท่ากันประมาณ 120 ดาลตัน เหตุการณ์ที่พบบ่อยที่สุด (ขึ้นอยู่กับไอโซโทปและกระบวนการ) คือการแตกออกที่ไม่เท่ากันเล็กน้อย โดยที่นิวเคลียสลูกสาวตัวหนึ่งมีมวลประมาณ 90 ถึง 100 ดาลตัน และอีกตัวหนึ่งมีมวล 130 ถึง 140 ดาลตัน^{[ 21 ]}

นิวเคลียสที่เสถียรและนิวเคลียสที่ไม่เสถียรที่มีครึ่งชีวิต ยาวมาก เป็นไปตามแนวโน้มความเสถียรที่เห็นได้ชัดเมื่อ พล็อต ZเทียบกับNสำหรับนิวเคลียสที่เบากว่าN น้อยกว่า 20 เส้นจะมีค่าความชันN = Zในขณะที่นิวเคลียสที่หนักกว่าต้องการนิวตรอนเพิ่มเติมเพื่อให้คงความเสถียร นิวเคลียสที่มีนิวตรอนหรือโปรตอนมากเกินไปจะมีพลังงานยึดเหนี่ยวมากเกินไปสำหรับความเสถียร และพลังงานส่วนเกินอาจเปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอนหรือโปรตอนเป็นนิวตรอนผ่านแรงนิวเคลียร์อ่อน ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า การสลายตัว แบบเบตา^{[ 9 ]}

การแตกตัวของ U-235 ที่เกิดจากนิวตรอนจะปล่อยพลังงานทั้งหมด 207 MeV ซึ่งประมาณ 200 MeV สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ชิ้นส่วนการแตกตัวแบบฉับพลันมีพลังงาน 168 MeV ซึ่งสามารถหยุดได้ง่ายด้วยระยะเพียงเศษเสี้ยวมิลลิเมตร นิวตรอนแบบฉับพลันมีพลังงานรวม 5 MeV และพลังงานนี้จะถูกนำกลับมาใช้ใหม่เป็นความร้อนผ่านการกระเจิงในเครื่องปฏิกรณ์ อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนการแตกตัวจำนวนมากมีนิวตรอนมากและสลายตัวผ่านการปล่อย β− ^ตามที่ Lilley กล่าวไว้ว่า "พลังงานการสลายตัวของกัมมันตรังสีจากห่วงโซ่การแตกตัวเป็นพลังงานที่ปล่อยออกมาครั้งที่สองเนื่องจากการแตกตัว มันน้อยกว่าพลังงานแบบฉับพลันมาก แต่มันก็เป็นปริมาณที่สำคัญ และนี่คือเหตุผลที่เครื่องปฏิกรณ์ต้องได้รับการระบายความร้อนอย่างต่อเนื่องหลังจากปิดเครื่องแล้ว และทำไมของเสียต้องได้รับการจัดการอย่างระมัดระวังและจัดเก็บอย่างปลอดภัย" ^{[ 9 ]}

จอห์น ลิลลีย์ กล่าวว่า "...ปฏิกิริยาฟิชชันที่เกิดจากนิวตรอนจะสร้างนิวตรอนเพิ่มขึ้น ซึ่งสามารถกระตุ้นให้เกิดฟิชชันเพิ่มเติมในรุ่นถัดไป และเป็นเช่นนี้เรื่อยไปในปฏิกิริยาลูกโซ่ ปฏิกิริยาลูกโซ่นี้มีลักษณะเฉพาะด้วยตัวประกอบการเพิ่มจำนวนนิวตรอน kซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนในรุ่นหนึ่งต่อจำนวนในรุ่นก่อนหน้า หากในเครื่องปฏิกรณ์kน้อยกว่า 1 เครื่องปฏิกรณ์จะอยู่ในสภาวะต่ำกว่าวิกฤต จำนวนนิวตรอนจะลดลงและปฏิกิริยาลูกโซ่จะหยุดลง หากk > 1 เครื่องปฏิกรณ์จะอยู่ในสภาวะสูงกว่าวิกฤตและปฏิกิริยาลูกโซ่จะล diverge นี่คือสถานการณ์ในระเบิดฟิชชันที่การเติบโตเกิดขึ้นในอัตราที่ระเบิดได้ หากkเท่ากับ 1 พอดี ปฏิกิริยาจะดำเนินไปในอัตราคงที่และเครื่องปฏิกรณ์จะอยู่ในสภาวะวิกฤต เป็นไปได้ที่จะบรรลุสภาวะวิกฤตในเครื่องปฏิกรณ์โดยใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง โดยมีเงื่อนไขว่านิวตรอนได้รับการลดพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพให้เป็นพลังงานความร้อน" ตัวควบคุม ได้แก่น้ำเบา น้ำหนักและกราไฟต์ [ ^{9 ] : 269, 274}

ตามที่ John C. Lee กล่าวไว้ว่า "สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั้งหมดที่ใช้งานอยู่และที่อยู่ระหว่างการพัฒนาวงจรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ จะขึ้นอยู่กับ วัสดุฟิสไซล์ 3 ชนิด ได้แก่ ²³⁵ U, ²³³ U และ²³⁹ Pu และโซ่ไอโซโทปที่เกี่ยวข้อง สำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา รุ่นปัจจุบัน ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะประกอบด้วย ²³⁵ U 2.5~4.5 wt%ซึ่งถูกผลิตเป็นแท่งเชื้อเพลิงและบรรจุลงในชุดประกอบเชื้อเพลิง" ^{[ 22 ]}

ลีกล่าวว่า "การเปรียบเทียบที่สำคัญอย่างหนึ่งสำหรับนิวไคลด์ฟิสไซล์หลักสามชนิด ได้แก่²³⁵ U, ²³³ U และ²³⁹ Pu คือศักยภาพในการผลิตเชื้อเพลิง เครื่องปฏิกรณ์แบบผลิต เชื้อเพลิง (breeder)ตามคำจำกัดความคือเครื่องปฏิกรณ์ที่ผลิตวัสดุฟิสไซล์ได้มากกว่าที่ใช้ไป และต้องการนิวตรอนอย่างน้อยสองตัวที่ผลิตขึ้นสำหรับแต่ละนิวตรอนที่ถูกดูดซับในนิวเคลียสฟิสไซล์ ดังนั้น โดยทั่วไปอัตราส่วนการแปลง (CR) จะถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของวัสดุฟิสไซล์ที่ผลิตขึ้นต่อวัสดุที่ถูกทำลาย ...เมื่อ CR มากกว่า 1.0 จะเรียกว่าอัตราส่วนการผลิตเชื้อเพลิง (BR)... ²³³ U มีศักยภาพในการผลิตเชื้อเพลิงที่เหนือกว่าสำหรับทั้งเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนและเครื่องปฏิกรณ์เร็ว ในขณะที่²³⁹ Pu มีศักยภาพในการผลิตเชื้อเพลิงที่เหนือกว่าสำหรับเครื่องปฏิกรณ์เร็ว" ^{[ 22 ]}

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิชชันวิกฤตเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด ในเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันวิกฤต นิวตรอนที่เกิดจากการแตกตัวของอะตอมเชื้อเพลิงจะถูกนำมาใช้เพื่อกระตุ้นให้เกิดการแตกตัวเพิ่มเติม เพื่อรักษาระดับพลังงานที่ควบคุมได้ ส่วนเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันแบบต่ำกว่าวิกฤต คืออุปกรณ์ที่สร้างปฏิกิริยาฟิ ชชันที่ออกแบบมาแต่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เองอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์เหล่านี้ใช้การสลายตัวของกัมมันตรังสีหรือเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อกระตุ้นให้เกิดการแตกตัว

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันวิกฤตถูกสร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์หลักสามประการ ซึ่งโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนทางวิศวกรรมที่แตกต่างกันเพื่อใช้ประโยชน์จากความร้อนหรือนิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน:

• เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีจุดประสงค์เพื่อผลิตความร้อนสำหรับผลิตพลังงานนิวเคลียร์ ไม่ว่าจะเป็นส่วนหนึ่งของโรงไฟฟ้าหรือระบบไฟฟ้าเฉพาะที่ เช่นน้ำนิวเคลียร์
• เครื่องปฏิกรณ์วิจัยมีจุดประสงค์เพื่อผลิตนิวตรอนและ/หรือกระตุ้นแหล่งกำเนิดรังสีเพื่อวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์ การแพทย์ วิศวกรรม หรือการวิจัยอื่นๆ
• เครื่องปฏิกรณ์แบบผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (breeder reactor)มีจุดประสงค์เพื่อผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จำนวนมากจากไอโซโทป ที่มีอยู่มากมาย เครื่องปฏิกรณ์แบบผลิตเชื้อเพลิงเร็ว ( fast breeder reactor ) ที่รู้จักกันดีกว่านั้นผลิต ^{239Pu (เชื้อเพลิงนิวเคลียร์) จาก 238U}ที่มีอยู่มากมายตามธรรมชาติ(ไม่ใช่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์)เครื่องปฏิกรณ์แบบผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ชนิดใช้ความร้อน (thermal breeder reactor ) ที่เคยทดสอบโดยใช้ ^232Thเพื่อผลิตไอโซโทปฟิสไซล์ ^233U (วัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม ) ยังคงอยู่ระหว่างการศึกษาและพัฒนาต่อไป

โดยหลักการแล้ว เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิสชันทุกเครื่องสามารถทำงานได้ทั้งสามอย่าง แต่ในทางปฏิบัติแล้ว งานเหล่านี้กลับนำไปสู่เป้าหมายทางวิศวกรรมที่ขัดแย้งกัน และเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่จึงถูกสร้างขึ้นโดยคำนึงถึงเพียงงานใดงานหนึ่งข้างต้นเท่านั้น (มีตัวอย่างที่ขัดแย้งกันอยู่บ้าง เช่น เครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียร์แฮน ฟอร์ ด ซึ่งปัจจุบันถูกปลดระวางไปแล้ว)

ณ ปี 2019 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วโลกจำนวน 448 แห่งมีกำลังการผลิต 398 GWEโดยประมาณ 85% เป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยน้ำเบา เช่นเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงหรือเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดพลังงานจากการแตกตัวจะถูกส่งผ่านการนำความร้อนหรือการพาความร้อนไปยังสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จากนั้นไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและไอน้ำที่เกิดขึ้นจะถูกนำไปใช้ในการขับเคลื่อนกังหันหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า^{[ 22 ] : 1–4}

เป้าหมายของการสร้างระเบิดปรมาณูคือการสร้างอุปกรณ์ที่ "...ปลดปล่อยพลังงานออกมาโดยปฏิกิริยาลูกโซ่ของนิวตรอนอย่างรวดเร็วในวัสดุอย่างน้อยหนึ่งชนิดที่ทราบกันว่าแสดงปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์" ตามที่เซอร์เบอร์กล่าวไว้ ตามที่โรดส์กล่าวว่า "หากไม่มีการอัดแน่น แกนระเบิดแม้จะมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของมวลวิกฤตก็จะเกิดปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์อย่างสมบูรณ์น้อยกว่า 1 เปอร์เซ็นต์ของวัสดุนิวเคลียร์ทั้งหมดก่อนที่จะขยายตัวมากพอที่จะหยุดปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่ให้ดำเนินต่อไป การอัดแน่นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเสมอ: มันสะท้อนนิวตรอนกลับเข้าไปในแกน และความเฉื่อยของมัน...จะชะลอการขยายตัวของแกนและช่วยป้องกันไม่ให้พื้นผิวแกนระเบิดออกไป" การจัดเรียงส่วนประกอบย่อยวิกฤตของวัสดุแกนใหม่จะต้องดำเนินการให้เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้แน่ใจว่าการระเบิดมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องมีส่วนประกอบพื้นฐานที่สาม คือ "...ตัวเริ่มต้น—แหล่งกำเนิด Ra + Be หรือที่ดีกว่านั้นคือแหล่งกำเนิด Po + Be โดยที่เรเดียมหรือโพโลเนียมอาจติดอยู่กับชิ้นส่วนหนึ่งของแกนกลางและเบริลเลียมติดอยู่กับอีกชิ้นส่วนหนึ่ง เพื่อให้ชนกันและพ่นนิวตรอนออกมาเมื่อชิ้นส่วนต่างๆ เข้าประชิดกันเพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่" อย่างไรก็ตาม ระเบิดใดๆ ก็ตาม "จำเป็นต้องมีการค้นหา ขุด และแปรรูปแร่ยูเรเนียมหลายร้อยตัน..." ในขณะที่การแยก U-235 หรือการผลิต Pu-239 จะต้องใช้กำลังการผลิตทางอุตสาหกรรมเพิ่มเติม^{[ 1 ] : 460–463}

การค้นพบการแตกตัวของนิวเคลียสเกิดขึ้นในปี 1938 ในอาคารของ สมาคม เคมีไกเซอร์วิลเฮล์ ม ซึ่งปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของ มหาวิทยาลัยเสรีแห่งเบอร์ลินหลังจากทำงานด้านวิทยาศาสตร์ของกัมมันตภาพรังสีและการพัฒนาฟิสิกส์นิวเคลียร์ใหม่ที่อธิบายส่วนประกอบของอะตอมมานานกว่าสี่ทศวรรษ ในปี 1911 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอแบบจำลองของอะตอมซึ่งมีนิวเคลียสของโปรตอนขนาดเล็ก หนาแน่น และมีประจุบวก ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบโคจรอยู่ ( แบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ด ) ^{[ 27 ]}นีลส์ โบห์รปรับปรุงแบบจำลองนี้ในปี 1913 โดยปรับพฤติกรรมควอนตัมของอิเล็กตรอนให้สอดคล้องกัน ( แบบจำลองโบห์ร ) ในปี 1928 จอร์จ กาโมว์เสนอแบบจำลองหยดของเหลวซึ่งกลายเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจฟิสิกส์ของการแตกตัว^{[ 1 ] : 49–51, 70–77, 228 [ 5 ] : 6–7}

ในปี พ.ศ. 2449 อองรี เบคเคอเรลได้ค้นพบ และมารี คูรีได้ตั้งชื่อว่า กัมมันตภาพรังสี ในปี พ.ศ. 2443 รัทเธอร์ฟอร์ดและเฟรเดอริก ซอดดีได้ทำการตรวจสอบก๊าซกัมมันตรังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุทอเรียม และได้ "สรุปอย่างน่าทึ่งและหลีกเลี่ยงไม่ได้ว่าธาตุทอเรียมกำลัง เปลี่ยนสภาพ เป็นก๊าซอาร์กอน อย่างช้าๆ และเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ!" ^{[ 1 ] : 41–43}

ในปี ค.ศ. 1919 สืบเนื่องจากความผิดปกติที่เออร์เนสต์ มาร์สเดนสังเกตเห็นในปี ค.ศ. 1915 รัทเทอร์ฟอร์ดจึงพยายาม "แยกอะตอม" รัทเทอร์ฟอร์ดสามารถทำการเปลี่ยนไนโตรเจนเป็นออกซิเจน ได้เป็นครั้งแรก โดยใช้รังสีอัลฟาพุ่งเป้าไปที่ไนโตรเจน^14N + α → ^17O + p รัทเทอร์ฟอร์ดกล่าวว่า "...เราต้องสรุปว่าอะตอมของไนโตรเจนแตกสลายแล้ว" ในขณะที่หนังสือพิมพ์รายงานว่าเขาได้แยกอะตอมนี่เป็นการสังเกตปฏิกิริยานิวเคลียร์ครั้งแรก ซึ่งก็คือปฏิกิริยาที่ใช้อนุภาคจากการสลายตัวของอะตอมหนึ่งเพื่อเปลี่ยนนิวเคลียสของอะตอมอื่น นอกจากนี้ยังเป็นวิธีการใหม่ในการศึกษานิวเคลียส รัทเทอร์ฟอร์ดและเจมส์ แชดวิกจึงใช้รังสีอัลฟาเพื่อ "แยกสลาย" โบรอน ฟลูออรีน โซเดียม อะลูมิเนียม และฟอสฟอรัส ก่อนที่จะพบข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับพลังงานของแหล่งกำเนิดรังสีอัลฟาของเขา^{[ 1 ]}ในที่สุดในปี พ.ศ. 2475 ปฏิกิริยานิวเคลียร์เทียมและการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียร์ก็ประสบความสำเร็จโดยเพื่อนร่วมงานของรัทเทอร์ฟอร์ด คือเออร์เนสต์ วอลตันและจอห์น ค็อกครอฟต์ ซึ่งใช้โปรตอนที่เร่งความเร็วเทียมกับลิเธียม-7 เพื่อแยกนิวเคลียสนี้ออกเป็นอนุภาคอัลฟา 2 อนุภาค ความสำเร็จนี้เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในชื่อ "การแยกอะตอม" และทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2494 สำหรับ"การเปลี่ยนแปลงนิวเคลียสของอะตอมโดยอนุภาคอะตอมที่เร่งความเร็วเทียม"แม้ว่ามันจะไม่ใช่ปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์ที่ค้นพบในภายหลังในธาตุหนักก็ตาม^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเจมส์ แชดวิกค้นพบนิวตรอนในปี พ.ศ. 2475 ^{[ 31 ]}แชดวิกใช้ห้องไอออนไนเซชันเพื่อสังเกตโปรตอนที่ถูกกระแทกออกจากธาตุหลายชนิดโดยรังสีเบริลเลียม โดยติดตามผลการสังเกตก่อนหน้านี้ที่ทำโดย โจลิออต -คูรีแชดวิกกล่าวว่า "...เพื่อที่จะอธิบายพลังการทะลุทะลวงอันยิ่งใหญ่ของรังสี เราต้องสมมติเพิ่มเติมว่าอนุภาคไม่มีประจุสุทธิ..." การมีอยู่ของนิวตรอนได้รับการตั้งสมมติฐานครั้งแรกโดยรัทเทอร์ฟอร์ดในปี พ.ศ. 2463 และแชดวิกกล่าวว่า "...คุณจะสร้างนิวเคลียสขนาดใหญ่ที่มีประจุบวกขนาดใหญ่ได้อย่างไร? และคำตอบก็คืออนุภาคที่เป็นกลาง" ^{[ 1 ] : 153–165} ต่อมา เขาได้สื่อสารการค้นพบของเขาโดยละเอียดมากขึ้น^{[ 32 ]}

ริชาร์ด โรดส์กล่าวถึงนิวตรอนว่า "ดังนั้นมันจึงทำหน้าที่เป็นเครื่องมือตรวจวัดนิวเคลียร์แบบใหม่ที่มีพลังในการทะลุทะลวงที่เหนือกว่า" ฟิลิป มอร์ริสันกล่าวว่า "ลำแสงนิวตรอนความร้อนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณความเร็วเสียง...ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ในวัสดุหลายชนิดได้ง่ายกว่าลำแสงโปรตอน...ที่เดินทางเร็วกว่าหลายพันเท่า" ตามที่โรดส์กล่าว "การชะลอความเร็วของนิวตรอนทำให้มันมีเวลาอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากขึ้น และนั่นทำให้มันมีเวลามากขึ้นในการถูกจับ" ทีมของเฟอร์มิศึกษาการดักจับรังสีซึ่งเป็นการปล่อยรังสีแกมมาหลังจากที่นิวเคลียสจับนิวตรอน โดยศึกษาธาตุ 60 ชนิด และทำให้เกิดกัมมันตภาพรังสีใน 40 ชนิด ในกระบวนการนี้ พวกเขาค้นพบความสามารถของไฮโดรเจนในการชะลอความเร็วของนิวตรอน^{[ 1 ] : 165, 216–220}

เอนริโก เฟอร์มิและเพื่อนร่วมงานของเขาในกรุงโรมศึกษาผลลัพธ์ของการยิงยูเรเนียมด้วยนิวตรอนในปี 1934 ^{[ 33 ]}เฟอร์มิสรุปว่าการทดลองของเขาได้สร้างธาตุใหม่ที่มีโปรตอน 93 และ 94 ตัว ซึ่งกลุ่มของเขาตั้งชื่อว่าออเซเนียม และ เฮสเปเรียมอย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกคนที่เชื่อมั่นในการวิเคราะห์ผลลัพธ์ของเฟอร์มิ แม้ว่าเขาจะได้รับ รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี 1938 จาก "การสาธิตการมีอยู่ของธาตุกัมมันตรังสีใหม่ที่เกิดจากการฉายรังสีนิวตรอน และการค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกี่ยวข้องซึ่งเกิดจากนิวตรอนช้า" นักเคมีชาวเยอรมันไอดา น็อดแด็กเสนอแนะในปี 1934 ว่าแทนที่จะสร้างธาตุใหม่ที่หนักกว่า 93 "เป็นไปได้ว่านิวเคลียสจะแตกออกเป็นชิ้นส่วนขนาดใหญ่หลายชิ้น" ^{[ 34 ]}อย่างไรก็ตาม ข้อโต้แย้งที่ยกมานั้นอยู่ห่างออกไปพอสมควร และเป็นเพียงหนึ่งในช่องว่างหลาย ๆ ช่องว่างที่เธอสังเกตเห็นในข้ออ้างของเฟอร์มิ แม้ว่าน็อดแด็กจะเป็นนักเคมีวิเคราะห์ที่มีชื่อเสียง แต่เธอขาดพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่จะเข้าใจถึงความยิ่งใหญ่ของสิ่งที่เธอกำลังเสนอ^{[ 35 ]}

หลังจากที่เฟอร์มิได้ตีพิมพ์ผลงานออตโต ฮา ห์ นลิเซ ไมต์เนอร์และฟริตซ์ สตราสส์มัน น์ ก็เริ่มทำการทดลองที่คล้ายคลึงกันในเบอร์ลินไมต์เนอร์ ซึ่งเป็นชาวยิวชาวออสเตรีย สูญเสียสัญชาติออสเตรียไปหลังจากการผนวกออสเตรียกับเยอรมนีในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1938 แต่เธอลี้ภัยไปยังสวีเดนในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1938 และเริ่มติดต่อทางจดหมายกับฮาห์นในเบอร์ลิน โดยบังเอิญ หลานชายของเธอออตโต โรเบิร์ต ฟริชซึ่งเป็นผู้ลี้ภัยเช่นกัน ก็อยู่ในสวีเดนเมื่อไมต์เนอร์ได้รับจดหมายจากฮาห์นลงวันที่ 19 ธันวาคม ซึ่งอธิบายถึงหลักฐานทางเคมีของเขาที่แสดงให้เห็นว่าผลผลิตบางส่วนจากการยิงยูเรเนียมด้วยนิวตรอนคือแบเรียมฮาห์นเสนอว่า อาจเกิดจากการ ระเบิดของนิวเคลียส แต่เขาก็ไม่แน่ใจว่าพื้นฐานทางกายภาพของผลลัพธ์นั้นคืออะไร แบเรียมมีมวลอะตอมน้อยกว่ายูเรเนียมถึง 40% และไม่มีวิธีการสลายตัวของกัมมันตรังสีใดๆ ที่รู้จักมาก่อนหน้านี้ที่สามารถอธิบายความแตกต่างของมวลนิวเคลียสที่มากขนาดนี้ได้ ฟริชมีความสงสัย แต่ไมต์เนอร์เชื่อมั่นในความสามารถของฮาห์นในฐานะนักเคมี มารี คูรีได้แยกแบเรียมออกจากเรเดียมมาหลายปีแล้ว และเทคนิคต่างๆ ก็เป็นที่รู้จักกันดี จากนั้นไมต์เนอร์และฟริชก็ตีความผลลัพธ์ของฮาห์นได้อย่างถูกต้องว่าหมายความว่านิวเคลียสของยูเรเนียมได้แตกออกเป็นสองส่วนโดยประมาณ ฟริชเสนอให้ตั้งชื่อกระบวนการนี้ว่า "การแตกตัวของนิวเคลียส" โดยเปรียบเทียบกับกระบวนการแบ่งเซลล์ของสิ่งมีชีวิตออกเป็นสองเซลล์ ซึ่งต่อมาเรียกว่าการแตกตัวแบบไบนารีเช่นเดียวกับที่คำว่า "ปฏิกิริยาลูกโซ่" ของนิวเคลียสจะถูกยืมมาจากวิชาเคมีในภายหลัง คำว่า "การแตกตัว" ก็ถูกยืมมาจากชีววิทยาเช่นกัน^{[ 38 ]}

ข่าวการค้นพบใหม่แพร่กระจายอย่างรวดเร็ว ซึ่งถูกมองว่าเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่แปลกใหม่โดยสิ้นเชิง พร้อมความเป็นไปได้ทางวิทยาศาสตร์และเชิงปฏิบัติที่ยิ่งใหญ่ การตีความการค้นพบของ Hahn และ Strassmann โดย Meitner และ Frisch ข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกไปพร้อมกับ Niels Bohr ผู้ซึ่งกำลังจะบรรยายที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน II RabiและWillis Lamb นักฟิสิกส์จาก มหาวิทยาลัยโคลัมเบียสองคนที่ทำงานอยู่ที่พรินซ์ตัน ได้ยินข่าวและนำกลับไปที่โคลัมเบีย Rabi กล่าวว่าเขาบอก Enrico Fermi; Fermi ให้เครดิตกับ Lamb หลังจากนั้นไม่นาน Bohr ก็เดินทางจากพรินซ์ตันไปโคลัมเบียเพื่อพบ Fermi เมื่อไม่พบ Fermi ในห้องทำงาน Bohr จึงลงไปที่บริเวณไซโคลตรอนและพบHerbert L. Anderson Bohr จับไหล่เขาและพูดว่า: "หนุ่มน้อย ให้ฉันอธิบายเกี่ยวกับสิ่งใหม่และน่าตื่นเต้นในฟิสิกส์ให้คุณฟัง" ^{[ 39 ]}

นักวิทยาศาสตร์หลายคนในมหาวิทยาลัยโคลัมเบียเห็นชัดเจนว่าพวกเขาควรพยายามตรวจจับพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียมจากการระดมยิงด้วยนิวตรอน เมื่อวันที่ 25 มกราคม พ.ศ. 2482 ทีมงานจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียได้ทำการทดลองการแตกตัวของนิวเคลียสครั้งแรกในสหรัฐอเมริกา^{[ 40 ]}ซึ่งทำในห้องใต้ดินของPupin Hallการทดลองเกี่ยวข้องกับการวางยูเรเนียมออกไซด์ไว้ภายในห้องไอออนไนเซชันและฉายรังสีด้วยนิวตรอน จากนั้นจึงวัดพลังงานที่ปล่อยออกมา ผลลัพธ์ยืนยันว่าเกิดการแตกตัวและชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่าไอโซโทปยูเรเนียม 235โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกิดการแตกตัว วันรุ่งขึ้นการประชุมวอชิงตันครั้งที่ 5 ว่าด้วยฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้เริ่มต้นขึ้นในกรุงวอชิงตัน ดี.ซี.ภายใต้การอุปถัมภ์ร่วมกันของมหาวิทยาลัยจอร์จ วอชิงตันและสถาบันคาร์เนกีแห่งวอชิงตันที่นั่น ข่าวเกี่ยวกับการแตกตัวของนิวเคลียสได้แพร่กระจายออกไปอีก ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการสาธิตการทดลองอีกมากมาย^{[ 41 ]} บทความของ Hahn และ Strassman เมื่อวันที่ 6 มกราคม พ.ศ. 2482 ประกาศการค้นพบการแตกตัวของนิวเคลียส ในบทความตีพิมพ์ฉบับที่สองเกี่ยวกับการแตกตัวของนิวเคลียสในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2482 Hahn และ Strassmann ใช้คำว่าUranspaltung (การแตกตัวของยูเรเนียม) เป็นครั้งแรก และทำนายการมีอยู่และการปลดปล่อยนิวตรอนเพิ่มเติมในระหว่างกระบวนการแตกตัว ซึ่งเปิดโอกาสให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์^{[ 42 ]}บทความของ Meitner และ Frisch เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2482 เปรียบเทียบกระบวนการนี้กับการแบ่งหยดของเหลว และประมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาที่ 200 MeV ^{[ 43 ]} บทความของ Bohr และ Wheeler เมื่อวันที่ 1 กันยายน พ.ศ. 2482 ใช้แบบจำลองหยดของเหลวนี้เพื่อหาปริมาณรายละเอียดของการแตกตัว รวมถึงพลังงานที่ปล่อยออกมา ประมาณค่าภาคตัดขวางสำหรับการแตกตัวที่เกิดจากนิวตรอน และสรุปได้ว่า²³⁵Uเป็นผู้มีส่วนสำคัญต่อภาคตัดขวางและการแตกตัวของนิวตรอนช้า^{[ 44 ] [ 1 ] : 262, 311 [ 5 ] : 9–13}

ในช่วงเวลานั้น เลโอ ซิลาร์ดนักฟิสิกส์ชาวฮังการีตระหนักว่าการแตกตัวของอะตอมหนักโดยใช้นิวตรอนเป็นตัวขับเคลื่อน สามารถนำมาใช้สร้างปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้ แนวคิดเรื่องปฏิกิริยาดังกล่าวโดยใช้นิวตรอนนั้น เขาได้คิดค้นขึ้นครั้งแรกในปี 1933 หลังจากได้อ่านคำวิจารณ์เชิงลบของรัทเทอร์ฟอร์ดเกี่ยวกับการผลิตพลังงานจากการชนกันของนิวตรอน อย่างไรก็ตาม ซิลาร์ดไม่สามารถสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่โดยใช้นิวตรอนกับเบริลเลียมได้ ซิลาร์ดกล่าวว่า "...ถ้าเราสามารถหาธาตุที่แตกตัวได้ด้วยนิวตรอน และปล่อยนิวตรอนออกมาสองตัวเมื่อดูดซับ นิวตรอน หนึ่งตัว ธาตุดังกล่าว หากนำมารวมกันในปริมาณที่มากพอ ก็จะสามารถสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้" เมื่อวันที่ 25 มกราคม พ.ศ. 2482 หลังจากทราบการค้นพบของฮาห์นจากยูจีน วิกเนอร์ซิลาร์ดได้กล่าวว่า "...หากมีการปล่อยนิวตรอนออกมามากพอ...แน่นอนว่าควรจะสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ ทุกสิ่งที่เอช.จี. เวลส์ทำนายไว้ดูเหมือนจะเป็นจริงขึ้นมาทันที" หลังจากที่บทความของฮาห์น-สตรัสแมนได้รับการตีพิมพ์ ซิลาร์ดได้เขียนจดหมายถึงลูอิส สเตราสส์โดยระบุว่าในระหว่างการแตกตัวของยูเรเนียม "พลังงานที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาใหม่นี้จะต้องสูงกว่ากรณีที่เคยรู้จักมาก่อนมาก..." ซึ่งอาจนำไปสู่ ​​"การผลิตพลังงานและธาตุกัมมันตรังสีในปริมาณมาก และน่าเสียดายที่อาจนำไปสู่ระเบิดปรมาณูด้วย" ^{[ 45 ] [ 1 ] : 26–28, 203–204, 213–214, 223–225, 267–268}

ซิลาร์ดจึงเร่งเร้าเฟอร์มิ (ในนิวยอร์ก) และเฟรเดอริก โจลิโอต์-คูรี (ในปารีส) ให้งดเว้นการตีพิมพ์เกี่ยวกับความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาลูกโซ่ เกรงว่ารัฐบาลนาซีจะทราบถึงความเป็นไปได้ดังกล่าวในช่วงก่อนสงครามโลกครั้งที่สองเฟอร์มิลังเลอยู่บ้างจึงตกลงที่จะเซ็นเซอร์ตัวเอง แต่โจลิโอต์-คูรีไม่ยอม และในเดือนเมษายน พ.ศ. 2482 ทีมของเขาในปารีส ซึ่งรวมถึงฮันส์ ฟอน ฮาลบันและเลว โควาร์สกีได้รายงานในวารสารNatureว่าจำนวนนิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากการแตกตัวของยูเรเนียมมีรายงานอยู่ที่ 3.5 ต่อการแตกตัวหนึ่งครั้ง^{[ 46 ]}ซิลาร์ดและวอลเตอร์ ซินน์พบว่า "...จำนวนนิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากการแตกตัวมีประมาณสองตัว" เฟอร์มิและแอนเดอร์สันประเมินว่า "ผลผลิตประมาณสองตัวนิวตรอนต่อนิวตรอนแต่ละตัวที่ถูกจับ" ^{[ 1 ] : 290–291, 295–296}

จากข่าวเรื่องนิวตรอนที่เกิดจากการแตกตัวของยูเรเนียม ซิลาร์ดเข้าใจในทันทีถึงความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์โดยใช้ยูเรเนียม ในช่วงฤดูร้อน เฟอร์มีและซิลาร์ดได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (กองเครื่องปฏิกรณ์) เพื่อเป็นตัวกลางในกระบวนการนี้ กองเครื่องปฏิกรณ์จะใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง เฟอร์มีได้แสดงให้เห็นก่อนหน้านี้แล้วว่า นิวตรอนจะถูกจับโดยอะตอมได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นหากนิวตรอนมีพลังงานต่ำ (ที่เรียกว่านิวตรอน "ช้า" หรือ "ความร้อน") เพราะด้วยเหตุผลทางควอนตัม มันทำให้อะตอมดูเหมือนเป้าหมายที่ใหญ่กว่ามากสำหรับนิวตรอน ดังนั้น เพื่อชะลอความเร็วของนิวตรอนทุติยภูมิที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของยูเรเนียมที่กำลังแตกตัว เฟอร์มีและซิลาร์ดจึงเสนอ "ตัวลดความเร็ว" ที่ทำจากกราไฟต์ ซึ่งนิวตรอนทุติยภูมิที่มีความเร็วสูงและพลังงานสูงจะชนเข้ากับมัน ทำให้ความเร็วของพวกมันลดลงอย่างมีประสิทธิภาพ หากมียูเรเนียมเพียงพอและมีกราไฟต์บริสุทธิ์เพียงพอ "กอง" ของพวกเขาสามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวตรอนช้าได้ตามทฤษฎี ซึ่งจะส่งผลให้เกิดความร้อนรวมถึงการสร้างผลิตภัณฑ์ฟิสชันกัมมันตรังสี^{[ 1 ] : 291, 298–302}

ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2482 ซิลาร์ด เทลเลอร์และวิกเนอร์คิดว่าชาวเยอรมันอาจใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันและกระตุ้นให้พยายามดึงดูดความสนใจของรัฐบาลสหรัฐฯ มายังประเด็นนี้ เพื่อการนี้ พวกเขาจึงชักชวนอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ให้ลงนามในจดหมายที่ส่งถึงประธานาธิบดีแฟรงคลิน รูสเวลต์ในวันที่ 11 ตุลาคมจดหมายของไอน์สไตน์-ซิลาร์ดถูกส่งผ่านอเล็กซานเดอร์ แซคส์รูสเวลต์เข้าใจนัยสำคัญอย่างรวดเร็ว โดยกล่าวว่า "อเล็กซ์ สิ่งที่คุณต้องการคือการทำให้แน่ใจว่าพวกนาซีจะไม่ระเบิดเรา" รูสเวลต์สั่งให้จัดตั้งคณะกรรมการที่ปรึกษาเกี่ยวกับยูเรเนียม [ ^{1 ] : 303–309, 312–317}

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2483 ด้วยแรงสนับสนุนจากเฟอร์มิและจอห์น อาร์. ดัน นิงอัลเฟรด โอซี เนียร์สามารถแยก U-235 และ U-238 ออกจากยูเรเนียมเตตระคลอไรด์ในเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลแก้วได้ ต่อมา ดันนิงได้ยิงนิวตรอนที่สร้างโดยไซโคลตรอน ของมหาวิทยาลัยโคลัมเบียใส่ตัวอย่าง U-235 และยืนยันว่า "U-235 เป็นสาเหตุของการแตกตัวของยูเรเนียมด้วยนิวตรอนช้า" ^{[ 1 ] : 297–298, 332}

ที่มหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม ฟริชได้ร่วมงานกับรูดอล์ฟ ไพเออร์ลส์ซึ่งกำลังทำงานเกี่ยวกับสูตรมวลวิกฤต โดยสมมติว่าการแยกไอโซโทปเป็นไปได้ พวกเขาพิจารณา^235Uซึ่งยังไม่ได้ กำหนด ภาคตัดขวางแต่คาดว่าจะมีขนาดใหญ่กว่ายูเรเนียมธรรมชาติมาก พวกเขาคำนวณว่าเพียงแค่หนึ่งหรือสองปอนด์ในปริมาตรที่น้อยกว่าลูกกอล์ฟ จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เร็วกว่าการระเหย และการระเบิดที่เกิดขึ้นจะสร้างอุณหภูมิที่สูงกว่าภายในดวงอาทิตย์ และความดันที่สูงกว่าใจกลางโลก นอกจากนี้ ต้นทุนของการแยกไอโซโทป "จะไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับต้นทุนของสงคราม" ภายในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1940 ด้วยแรงสนับสนุนจากมาร์ค โอลิแฟนท์พวกเขาได้เขียนบันทึกของฟริช-ไพเออร์ลส์เป็นสองส่วน คือ "เกี่ยวกับการสร้าง 'ระเบิดซูเปอร์' โดยอิงจากปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ในยูเรเนียม" และ "บันทึกเกี่ยวกับคุณสมบัติของ 'ระเบิดซูเปอร์' กัมมันตรังสี" เมื่อวันที่ 10 เมษายน พ.ศ. 2483 ได้มีการจัดการประชุมครั้งแรกของคณะกรรมการ MAUD ^{[ 1 ] : 321–325, 330–331, 340–341}

ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2483 ฟรานซ์ ไซมอนที่ออกซ์ฟอร์ด ได้เขียน "การประเมินขนาดของโรงงานแยกจริง" ไซมอนเสนอว่าการแพร่กระจายของก๊าซเป็นวิธีที่ดีที่สุดสำหรับการแยกไอโซโทปยูเรเนียม^{[ 1 ] : 339, 343}

เมื่อวันที่ 28 มีนาคม พ.ศ. 2484 Emilio SegréและGlen Seaborgรายงานเกี่ยวกับ "ข้อบ่งชี้ที่ชัดเจนว่า²³⁹ Pu เกิดปฏิกิริยาฟิชชันกับนิวตรอนช้า" ซึ่งหมายความว่าการแยกทางเคมีเป็นทางเลือกแทนการแยกไอโซโทปยูเรเนียม ในทางกลับกัน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้ยูเรเนียมธรรมดาเป็นเชื้อเพลิงสามารถผลิตไอโซโทปพลูโทเนียมเพื่อใช้เป็นวัตถุระเบิดนิวเคลียร์ทดแทน²³⁵ U ได้ ในเดือนพฤษภาคม พวกเขาแสดงให้เห็นว่าภาคตัดขวางของพลูโทเนียมมีค่าเป็น 1.7 เท่าของ U235 เมื่อวัดภาคตัดขวางของพลูโทเนียมสำหรับปฏิกิริยาฟิชชันเร็วได้เป็นสิบเท่าของ U238 พลูโทเนียมจึงกลายเป็นตัวเลือกที่ใช้ได้ผลสำหรับระเบิด^{[ 1 ] : 346–355, 366–368}

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2484 MAUD ได้เผยแพร่รายงานฉบับสุดท้ายให้กับรัฐบาลสหรัฐฯ รายงานระบุว่า "ขณะนี้เราได้ข้อสรุปแล้วว่าสามารถสร้างระเบิดยูเรเนียมที่มีประสิทธิภาพได้...วัสดุสำหรับระเบิดลูกแรกอาจพร้อมภายในสิ้นปี พ.ศ. 2486..." ^{[ 1 ] : 368–369}

ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2484 จอห์น ดันนิง และยูจีน ที. บูธสามารถสาธิตการเสริมสมรรถนะของยูเรเนียมผ่านการแพร่ผ่านกำแพงก๊าซได้สำเร็จ ในวันที่ 27 พฤศจิกายน บุชได้ส่งรายงานฉบับที่สามของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติให้กับรูสเวลต์ รายงานดังกล่าวเรียกร้องให้มีการพัฒนาระบบการแยกไอโซโทปทั้งหมดควบคู่กันไป ในวันที่ 6 ธันวาคม บุชและคอนันต์ได้ปรับโครงสร้างงานของคณะกรรมการยูเรเนียมใหม่ โดยให้แฮโรลด์ ยูเรย์พัฒนาระบบแพร่ผ่านก๊าซ ลอว์เรนซ์ พัฒนาระบบแยกด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอีเกอร์ วี. เมอร์ฟรีพัฒนาระบบหมุนเหวี่ยง และอาร์เธอร์ คอมป์ตันรับผิดชอบด้านการศึกษาเชิงทฤษฎีและการออกแบบ^{[ 1 ] : 381, 387–388}

เมื่อวันที่ 23 เมษายน พ.ศ. 2485 นักวิทยาศาสตร์ ของ Met Labได้หารือกันถึง 7 วิธีที่เป็นไปได้ในการสกัดพลูโทเนียมจากยูเรเนียมที่ผ่านการฉายรังสี และตัดสินใจที่จะทำการตรวจสอบทั้ง 7 วิธีนั้น เมื่อวันที่ 17 มิถุนายน ยูเรเนียมไนเตรตเฮกซาไฮเดรต (UNH) ชุดแรกได้ถูกนำไปฉายรังสีนิวตรอนในไซโคลตรอนของมหาวิทยาลัยวอชิงตันในเซนต์หลุยส์เมื่อวันที่ 27 กรกฎาคม UNH ที่ผ่านการฉายรังสีก็พร้อมสำหรับ ทีมของ Glenn T. Seaborgเมื่อวันที่ 20 สิงหาคม พวกเขาได้สกัดพลูโทเนียมได้สำเร็จโดยใช้เทคนิคเคมีระดับจุลภาค^{[ 1 ] : 408–415}

ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2485 เกอร์ทรูด ชาร์ฟฟ์ โกลด์ฮาเบอร์ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวนรายงานเป็นครั้งแรกเกี่ยวกับการปล่อยนิวตรอนหลายตัวระหว่างการแตกตัวของยูเรเนียมโดยธรรมชาติ งานวิจัยของเธอถูกเก็บเป็นความลับ^{[ 47 ] [ 48 ]}

ในเดือนเมษายน ปี 1939 เป้าหมายของเฟอร์มิและซิลาร์ดคือการสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่ในยูเรเนียมธรรมชาติ แทนที่จะเป็นการแยกไอโซโทป ความพยายามครั้งแรกของพวกเขานั้นใช้ยูเรเนียมออกไซด์จำนวน 500 ปอนด์จากบริษัทเอลโดราโด เรเดียม คอร์ปอเรชั่น บรรจุลงในกระป๋องขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 นิ้วและยาว 2 ฟุต จำนวน 52 กระป๋อง ในถังสารละลายแมงกานีส พวกเขาสามารถยืนยันได้ว่ามีการปล่อยนิวตรอนออกมามากกว่าที่ถูกดูดซับ อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนในน้ำได้ดูดซับนิวตรอนช้าที่จำเป็นสำหรับการแตกตัวของนิวเคลียส จากนั้นจึงพิจารณาใช้คาร์บอนในรูปของกราไฟต์ เนื่องจากมีพื้นที่หน้าตัดการดูดซับที่เล็กกว่า ในเดือนเมษายน ปี 1940 เฟอร์มิสามารถยืนยันศักยภาพของคาร์บอนสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่ของนิวตรอนช้าได้ หลังจากได้รับอิฐกราไฟต์จากบริษัทเนชั่นแนล คาร์บอน ที่ ห้องปฏิบัติการปูพิน ของพวกเขา ในเดือนสิงหาคมและกันยายน ทีมงานจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียได้ขยายการวัดพื้นที่หน้าตัดโดยการสร้าง "กอง" แบบทวีคูณหลายชุด กองเชื้อเพลิงชุดแรกประกอบด้วยโครงสร้างตาข่ายยูเรเนียม-กราไฟต์ ซึ่งประกอบด้วยกระป๋อง 288 ใบ แต่ละใบบรรจุยูเรเนียมออกไซด์ 60 ปอนด์ ล้อมรอบด้วยอิฐกราไฟต์ เป้าหมายของเฟอร์มิคือการหาค่ามวลวิกฤตที่จำเป็นต่อการสร้างนิวตรอนอย่างต่อเนื่อง เฟอร์มิได้กำหนดค่าตัวประกอบการสืบพันธุ์ k สำหรับการประเมินปฏิกิริยาลูกโซ่ โดยค่า 1.0 หมายถึงปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในเดือนกันยายน ค.ศ. 1941 ทีมของเฟอร์มิสามารถบรรลุค่า k ได้เพียง 0.87 เท่านั้น ในเดือนเมษายน ค.ศ. 1942 ก่อนที่โครงการจะถูกรวมศูนย์ที่ชิคาโก พวกเขาบรรลุค่า 0.918 โดยการกำจัดความชื้นออกจากออกไซด์ ในเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 1942 เฟอร์มิวางแผนสร้างกองเชื้อเพลิงปฏิกิริยาลูกโซ่ขนาดเต็มรูปแบบ ชิคาโกไพล์-1 หลังจากที่กองเชื้อเพลิงแบบทวีคูณที่สแต็กฟิลด์ แห่งหนึ่ง มีค่า k สูงถึง 0.995 ระหว่างวันที่ 15 กันยายนถึง 15 พฤศจิกายน เฮอร์เบิร์ต แอล . แอนเดอร์สันและวอลเตอร์ ซินน์ได้สร้างกองเชื้อเพลิงแบบทวีคูณจำนวนสิบหกกอง การจัดหาแกรไฟต์ในรูปแบบที่บริสุทธิ์กว่า โดยปราศจากร่องรอยของโบรอนและหน้าตัดขนาดใหญ่ กลายเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง นอกจากนี้ การจัดหาออกไซด์ในรูปแบบที่บริสุทธิ์สูงจาก โรงงานเคมี Mallinckrodt ก็มีความสำคัญเช่น กัน สุดท้าย การจัดหาโลหะยูเรเนียมบริสุทธิ์จากกระบวนการ Amesหมายถึงการแทนที่ทรงกลมเทียมของออกไซด์ด้วย "ไข่" ของ Frank Speddingเริ่มตั้งแต่วันที่ 16 พฤศจิกายน 1942 เฟอร์มิได้ให้แอนเดอร์สันและซินน์ทำงานเป็นสองกะ กะละสิบสองชั่วโมง เพื่อสร้างกองวัสดุที่ในที่สุดก็สูงถึง 57 ชั้นภายในวันที่ 1 ธันวาคม กองวัสดุสุดท้ายประกอบด้วยแกรไฟต์ 771,000 ปอนด์ ยูเรเนียมออกไซด์ 80,590 ปอนด์ และโลหะยูเรเนียม 12,400 ปอนด์ พร้อมแท่งควบคุม แคดเมียมสิบแท่ง ความเข้มของนิวตรอนถูกวัดด้วยโบรอนไตรฟลูออไรด์เครื่องนับนิวตรอนทำงานโดยถอดแท่งควบคุมออกหลังจากสิ้นสุดแต่ละกะ ในวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2485 เมื่อค่า k ใกล้ถึง 1.0 เฟอร์มิได้ถอดแท่งควบคุมออกเกือบทั้งหมด เหลือไว้เพียงแท่งเดียว และค่อยๆ ถอดแท่งสุดท้ายออก เสียงคลิกของเครื่องนับนิวตรอนเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับเครื่องบันทึกปากกา เมื่อเฟอร์มิประกาศว่า "เครื่องปฏิกรณ์เข้าสู่สภาวะวิกฤตแล้ว" พวกเขาได้ค่า ak เท่ากับ 1.006 ซึ่งหมายความว่าความเข้มของนิวตรอนเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ สองนาที นอกเหนือจากการผลิตพลูโทเนียม [ ^{1 ] : 298–301, 333–334, 394–397, 400–401, 428–442}

ในสหรัฐอเมริกา ความพยายามอย่างเต็มรูปแบบในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์เริ่มต้นขึ้นในช่วงปลายปี 1942 งานนี้ถูกโอนไปให้กองทัพบกสหรัฐฯ (US Army Corps of Engineers) ในปี 1943 และเป็นที่รู้จักในชื่อเขตวิศวกรรมแมนฮัตตัน (Manhattan Engineer District) โครงการแมน ฮัตตัน (Manhattan Project) ซึ่งเป็นโครงการ ลับสุดยอดนั้นนำโดยพลเอกเลสลี อาร์. โกรฟส์ (Leslie R. Groves ) สถานที่ปฏิบัติงานหลายสิบแห่งของโครงการนี้ ได้แก่: แฮนฟอร์ด (Hanford Site)ในวอชิงตัน ซึ่งเป็นที่ตั้งของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดอุตสาหกรรมแห่งแรกและผลิตพลูโทเนียม ; โอ๊คริดจ์ (Oak Ridge) ในเทนเนสซีซึ่งเกี่ยวข้องกับการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม เป็นหลัก ; และลอสอะลามอส (Los Alamos)ในนิวเม็กซิโก ซึ่งเป็นศูนย์กลางทางวิทยาศาสตร์สำหรับการวิจัยเกี่ยวกับการพัฒนาและการออกแบบระเบิด สถานที่อื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งห้องปฏิบัติการรังสีเบิร์กลีย์ (Berkeley Radiation Laboratory)และห้องปฏิบัติการโลหะวิทยา (Metallurgical Laboratory)ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก ก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน ทิศทางทางวิทยาศาสตร์โดยรวมของโครงการนี้บริหารจัดการโดยนักฟิสิกส์ เจ. โรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์ (J. Robert Oppenheimer )

ในเดือนกรกฎาคม ปี 1945 ระเบิดปรมาณูลูกแรกที่ได้รับฉายาว่า "เดอะแกดเจ็ต" ถูกจุดระเบิดในทะเลทรายนิวเม็กซิโกในการ ทดสอบ ทรินิตี้โดยใช้พลูโทเนียมที่ผลิตขึ้นที่แฮนฟอร์ดเป็นเชื้อเพลิง ในเดือนสิงหาคม ปี 1945 ระเบิดปรมาณูอีกสองลูก ได้แก่ " ลิตเติลบอย " ระเบิดยูเรเนียม-235 และ " แฟตแมน " ระเบิดพลูโทเนียม ถูกนำมาใช้โจมตีเมืองฮิโรชิมาและนางาซากิของญี่ปุ่น

ภาวะวิกฤตในธรรมชาติเป็นเรื่องไม่ปกติ ที่แหล่งแร่สามแห่งที่Okloในกาบองมีการค้นพบสถานที่สิบหกแห่ง (ที่เรียกว่าOklo Fossil Reactors ) ซึ่งมีการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์แบบต่อเนื่องเมื่อประมาณ 2 พันล้านปีก่อน นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Francis Perrinค้นพบ Oklo Fossil Reactors ในปี 1972 แต่Paul Kuroda ได้ตั้งสมมติฐานไว้ ในปี 1956 ^{[ 49 ]}ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันยูเรเนียมธรรมชาติขนาดใหญ่ที่ถูกควบคุมโดยน้ำธรรมดาเคยเกิดขึ้นในอดีตอันไกลโพ้นและเป็นไปไม่ได้ในปัจจุบัน กระบวนการโบราณนี้สามารถใช้น้ำธรรมดาเป็นตัวควบคุมได้ก็ต่อเมื่อ 2 พันล้านปีก่อน ยูเรเนียมธรรมชาติมีไอโซโทป²³⁵ U ที่มีอายุสั้นกว่า (ประมาณ 3%) มากกว่ายูเรเนียมธรรมชาติที่มีอยู่ในปัจจุบัน (ซึ่งมีเพียง 0.7% และต้องเสริมสมรรถนะให้ถึง 3% จึงจะสามารถใช้ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาได้)

• การแตกตัวเย็น
• วัสดุฟิสไซล์
• เครื่องปฏิกรณ์ฟิสชันแฟรกเมนต์
• ฟิวชั่น/ฟิสชั่นแบบไฮบริด
• ฟิวชั่นนิวเคลียร์
• ระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์
• โฟโตฟิสชัน
• HD 101065 – ดาวฤกษ์ในกลุ่มดาวเซนทอรัส ซึ่งประกอบด้วยธาตุทอเรียม ยูเรเนียม และไอโซโทปรังสีที่มีอายุสั้นจำนวนมาก

• คู่มือพื้นฐานของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ: ฟิสิกส์นิวเคลียร์และทฤษฎีเครื่องปฏิกรณ์ เล่ม 1 (PDF)กระทรวงพลังงานสหรัฐฯมกราคม 1993 DOE-HDBK-1019/1-93 เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 19 มีนาคม 2014เรียกดูเมื่อ 3 มกราคม 2012
• คู่มือพื้นฐานของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ: ฟิสิกส์นิวเคลียร์และทฤษฎีเครื่องปฏิกรณ์ เล่ม 2 (PDF)กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ มกราคม 1993 DOE-HDBK-1019/2-93 เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2013-12-03เรียกดูเมื่อ 2012-01-03
• Bulgac, Aurel; Jin, Shi; Stetcu, Ionel (2020). "พลวัตการแตกตัวของนิวเคลียส: อดีต ปัจจุบัน ความต้องการ และอนาคต" . Frontiers in Physics . 8 63. arXiv : 1912.00287 . Bibcode : 2020FrP.....8...63B . doi : 10.3389/fphy.2020.00063 .

• ผลกระทบของอาวุธนิวเคลียร์
• บรรณานุกรมพร้อมคำอธิบายเกี่ยวกับปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์จากห้องสมุดดิจิทัล Alsos
• การค้นพบปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 16 กุมภาพันธ์ 2010 ที่Wayback Machineบันทึกทางประวัติศาสตร์ฉบับสมบูรณ์พร้อมไฟล์เสียงและคู่มือครูจากศูนย์ประวัติศาสตร์สถาบันฟิสิกส์แห่งอเมริกา
• atomicarchive.comคำอธิบายเกี่ยวกับการแตกตัวของนิวเคลียส
• Nuclear Files.org เก็บถาวรเมื่อ 2018-03-08 ที่Wayback Machineการแตกตัวของนิวเคลียสคืออะไร?
• ภาพเคลื่อนไหวการแตกตัวของนิวเคลียร์