În domeniul sub-atomic guvernat de regulile mecanicii cuantice, un proces numit fisiune furnizează sursa fundamentală de energie atât pentru bombele atomice, cât și pentru reactoarele nucleare. Ceea ce separă aceste două rezultate extrem de diferite - unul violent, celălalt controlat - este conceptul de critic masă, o linie de separare imaginară care determină dacă o reacție nucleară este lentă și prelungită sau rapidă și de scurtă durată.
Fisiunea atomică
Atomii de elemente instabile, cum ar fi uraniul și plutoniul, se împart în perechi de elemente mai ușoare atunci când suferă o degradare radioactivă, un proces numit fisiune. De exemplu, uraniul-235 se poate împărți în cripton-89 și bariu-144, o fisiune care emite și doi neutroni rămași. Elementele mai ușoare pot fi, de asemenea, instabile, continuând ca un lanț de dezintegrare radioactivă care poate include o duzină sau mai multe elemente și poate dura milioane de ani până la finalizare.
Reacții în lanț și șansă
Un nucleu de uraniu se împarte în două elemente mai ușoare atunci când absoarbe un neutron rătăcit; neutronul destabilizează nucleul, făcându-l mai probabil să sufere o fisiune. Deoarece o fisiune produce neutroni liberi, aceștia pot lovi atomii vecini, provocându-i și divizarea, creând o reacție în lanț a evenimentelor de fisiune. Deoarece reacțiile nucleare sunt de natură mecanică cuantică, ele sunt guvernate de probabilități și întâmplare. Când reacțiile în lanț sunt mai puțin probabil să apară, acestea se sting, deoarece tot mai puțini neutroni declanșează fisiuni succesive. Atunci când circumstanțele favorizează reacțiile în lanț, fisiunile continuă în mod constant. Și când fisiunile sunt foarte probabile, reacțiile în lanț se accelerează, împărțind un număr în creștere rapidă de atomi și eliberând energia lor.
Masa critica
Probabilitatea unor fisiuni și reacții în lanț depinde parțial de masa materialului radioactiv implicat. Într-un punct numit masă critică, reacțiile în lanț sunt în mare parte autosustenabile, dar nu cresc. Fiecare element radioactiv are o masă critică specifică pentru o sferă a substanței; de exemplu, masa critică a uraniului-235 este de 56 kg, în timp ce sunt necesari doar 11 kg de plutoniu-239. Oamenii de știință care întrețin stocuri de materiale radioactive le depozitează în așa fel încât aceste cantități să nu apară niciodată în aceeași vecinătate generală; în caz contrar, pot produce explozii violente de radiații letale.
Masa subcritică și supercritică
Pentru o formă sferică a substanței radioactive, creșterea masei crește numărul de neutroni eliberați la un moment dat și probabilitatea ca fisiunile să conducă la reacții în lanț. Cantitățile mai mici decât o masă critică a unui element radioactiv au reacții în lanț, dar sunt mai susceptibile să dispară decât să continue. Dincolo de masa critică, rata fisiunilor crește, ducând la o situație periculoasă, scăpată de sub control. Centralele nucleare utilizează cantități sub-critice de elemente radioactive - suficient pentru a produce cantități generoase de energie, dar care, din motive de siguranță, nu pot duce niciodată la o explozie nucleară. Bombele atomice, în schimb, folosesc o cantitate de materiale mult mai aproape de o masă critică. O bombă atomică rămâne sub-critică până când este declanșată cu o explozie de neutroni și stoarsă de o explozie de explozivi convenționali. Explozibilii fac ca materialul să devină momentan supercritic; reacțiile în lanț devin scăpate de sub control în câteva milionimi de secundă, eliberând echivalentul energetic al zeci de mii de tone de TNT.