U subatomskom području kojim upravljaju pravila kvantne mehanike, proces koji se naziva fisija daje temeljni izvor energije i za atomske bombe i za nuklearne reaktore. Ono što razdvaja ova dva izuzetno različita rezultata - jedan nasilni, a drugi kontrolirani - jest koncept kritike masa, zamišljena linija razdvajanja koja određuje je li nuklearna reakcija spora i produljena ili brza i kratkotrajna.
Atomska fisija
Atomi nestabilnih elemenata poput urana i plutonija razdvajaju se u parove lakših elemenata kad prolaze kroz radioaktivni raspad, proces koji se naziva fisija. Na primjer, uran-235 može se podijeliti na kripton-89 i barij-144, fisiju koja također emitira dva preostala neutrona. Lakši elementi također mogu biti nestabilni, nastavljajući se kao lanac radioaktivnog raspada koji može sadržavati desetak ili više elemenata i kojima će trebati milijuni godina da završe.
Lančane reakcije i šansa
Jezgra urana dijeli se na dva lakša elementa kada apsorbira zalutali neutron; neutron destabilizira jezgru, čineći vjerojatnije da će podvrgnuti fisiji. Budući da fisija proizvodi slobodne neutrone, oni mogu udariti susjedne atome, uzrokujući i njihovo cijepanje, stvarajući lančanu reakciju fisionih događaja. Kako su nuklearne reakcije kvantno-mehaničke prirode, njima vladaju vjerojatnosti i šanse. Kada je manje vjerojatno da će se dogoditi lančane reakcije, one izumiru, jer sve manje i manje neutrona pokreće uzastopne fisije. Kada okolnosti favoriziraju lančane reakcije, fisije se nastavljaju na ustaljen način. A kad su fisije vrlo vjerojatne, lančane reakcije se ubrzavaju, dijeleći sve veći broj atoma i oslobađajući njihovu energiju.
Kritična masa
Vjerojatnost cijepanja i lančanih reakcija djelomično ovisi o masi uključenog radioaktivnog materijala. U točki koja se naziva kritična masa, lančane reakcije uglavnom se održavaju, ali se ne povećavaju. Svaki radioaktivni element ima određenu kritičnu masu za sferu tvari; na primjer, kritična masa urana-235 je 56 kg, dok je potrebno samo 11 kg plutonija-239. Znanstvenici koji drže zalihe radioaktivnih materijala pohranjuju ih na takav način da se te količine nikada ne pojavljuju u istoj općoj blizini; u protivnom mogu proizvesti nasilne rafale smrtonosnog zračenja.
Subkritična i nadkritična masa
Za sferni oblik radioaktivne tvari, povećanje mase povećava broj odatih neutrona u određenom trenutku i vjerojatnost da fisije dovode do lančanih reakcija. Količine manje od kritične mase radioaktivnog elementa imaju lančane reakcije, ali vjerojatnije je da će izumrijeti nego što će se nastaviti. Iznad kritične mase, stopa fisija se povećava, što dovodi do opasne situacije izvan kontrole. Nuklearne elektrane koriste podkritične količine radioaktivnih elemenata - dovoljno za proizvodnju izdašnih količina energije, ali koje iz sigurnosnih razloga nikada ne mogu dovesti do nuklearne eksplozije. Atomske bombe, pak, koriste količinu materijala mnogo bliže kritičnoj masi. Atomska bomba ostaje podkritična sve dok se ne aktivira rafalnim neutronom i istisne eksplozijom konvencionalnih eksploziva. Eksplozivi uzrokuju da materijal na trenutak postane nadkritičan; lančane reakcije izmiču kontroli za nekoliko milijunti dio sekunde, oslobađajući energetski ekvivalent od desetaka tisuća tona TNT-a.