Kvantmehaanika reeglitega juhitavas aatomi allriigis pakub lõhustumisprotsess põhilist energiaallikat nii aatomipommidele kui ka tuumareaktoritele. See, mis eraldab neid kahte tohutult erinevat tulemust - üks vägivaldne, teine kontrollitav - on kriitiline mõiste mass, kujuteldav eraldusjoon, mis määrab, kas tuumareaktsioon on aeglane ja pikaajaline või kiire ja lühiajaline.
Aatomlõhustumine
Stabiilsete elementide, näiteks uraani ja plutooniumi aatomid jagunevad radioaktiivse lagunemise käigus kergemate elementide paarideks, seda protsessi nimetatakse lõhustumiseks. Näiteks võib uraan-235 laguneda krüptoon-89-ks ja baarium-144-ks, lõhustumiseks, mis eraldab ka kahte järelejäänud neutronit. Kergemad elemendid võivad olla ka ebastabiilsed, jätkudes radioaktiivse lagunemisahelana, mis võib sisaldada tosinat või enamat elementi ja mille lõpuleviimine võib võtta miljoneid aastaid.
Ahelreaktsioonid ja võimalus
Uraani tuum jaguneb hulkuva neutroni neelamisel kaheks kergemaks elemendiks; neutron destabiliseerib tuuma, muutes selle tõenäolisemaks lõhustumiseks. Kuna lõhustumine tekitab vabu neutroneid, võivad nad lüüa naabruses paiknevaid aatomeid, põhjustades ka nende lõhenemist, tekitades lõhustumissündmuste ahelreaktsiooni. Kuna tuumareaktsioonid on oma olemuselt kvantmehaanilised, juhivad neid tõenäosused ja juhus. Kui ahelreaktsioonide tekkimise tõenäosus on väiksem, surevad nad välja, kuna järjest vähem neutroneid käivitavad järjestikuse lõhustumise. Kui olud soosivad ahelreaktsioone, jätkub lõhustumine ühtlaselt. Ja kui lõhustumine on väga tõenäoline, siis ahelreaktsioonid kiirenevad, jagades kiiresti kasvava aatomite arvu ja vabastades nende energia.
Kriitiline mass
Lõhustumiste ja ahelreaktsioonide tõenäosus sõltub osaliselt radioaktiivse materjali massist. Kriitiliseks massiks nimetatud punktis on ahelreaktsioonid suures osas isemajandavad, kuid ei suurene. Igal radioaktiivsel elemendil on aine sfääri jaoks kindel kriitiline mass; näiteks on uraan-235 kriitiline mass 56 kg, samas kui plutoonium-239 on vajalik ainult 11 kg. Radioaktiivsete materjalide varu hoidvad teadlased ladustavad neid nii, et neid koguseid ei esine kunagi samas üldises läheduses; muidu võivad nad tekitada vägivaldseid surmava kiirguse plahvatusi.
Subkriitiline ja superkriitiline missa
Radioaktiivse aine sfäärilise kuju korral suurendab massi suurendamine antud hetkel eralduvate neutronite arvu ja tõenäosust, et lõhustumine viib ahelreaktsioonideni. Radioaktiivse elemendi kriitilisest massist väiksematel kogustel on ahelreaktsioonid, kuid need surevad pigem välja kui jätkuvad. Kriitilise massi ületamisel suureneb lõhustumiste määr, mis viib ohtliku ja kontrolli alt väljuva olukorrani. Tuumaelektrijaamad kasutavad kriitilistes kogustes radioaktiivseid elemente - piisavalt, et toota suurel hulgal energiat, kuid mis ohutuse huvides ei saa kunagi põhjustada tuumaplahvatust. Aatomipommides kasutatakse seevastu kriitilisele massile palju lähemal olevat materjali. Aatomipomm jääb kriitiliseks, kuni see käivitatakse neutronipuhanguga ja surutakse tavapäraste kõrgete lõhkeainete plahvatuse tagajärjel. Lõhkeaine põhjustab materjali hetkekriitilise kriitika; ahelreaktsioonid muutuvad mõnekümne sekundi sekundis kontrolli alt väljuvaks, vabastades kümnete tuhandete tonnide TNT energiaekvivalendi.