Поскольку в тяжелых атомных ядрах процентное содержание нейтронов значительно больше, чем в ядрах средней части таблицы Менделеева, осколки деления оказываются сильно перегруженными нейтронами.

Поэтому при делении тяжелых ядер освобождаются нейтроны. Опыты показали, что при делении одного ядра ²³⁵₉₂U, захватившего нейтрон, освобождается 2-3 нейтрона (в среднем 2,5 нейтрона на один акт деления). Эти вторичные нейтроны могут вызывать деление других ядер, и может возникнуть цепная реакция деления (рис. 39.2), которая будет поддерживаться без внешнего облучения урана нейтронами.

Однако в реальных условиях далеко не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из куска урана наружу (утечка нейтронов).

Отношение числа делений, вызванных вторичными нейтронами, к числу делений, при которых сами они образовались, называется эффективным коэффициентом размножения нейтронов (К_эфф). Для ²³⁵₉₂U он был бы равен 2,5, если бы все вторичные нейтроны участвовали в делении новых ядер.

При К_эфф < 1 каждое новое поколение нейтронов вызывает все меньшее и меньшее число делений и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает. При К_эфф = 1 число делений поддерживается на постоянном уровне. Такой режим самоподдерживающейся цепной реакции называется критическим и создается в ядерных реакторах. При К_эфф > 1  каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений и цепная реакция лавинообразно нарастает. Поскольку нейтроны деления очень быстро (через 10^-7 – 10^-8 с) захватываются другими ядрами урана и вызывают их деление, такая цепная реакция очень быстро нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Легко подсчитать, что если при делении одного ядра освобождается 200 МэВ энергии, то при делении 2,6*10²¹ ядер, содержащихся в 1 г урана, освободится около 8,3*10¹⁰ Дж энергии, что равноценно энергии, выделяемой при сжигании 3 т каменного угля.

Цепная ядерная реакция может осуществляться на изотопах ²³⁵₉₂U, ²³³₉₂U, ²³⁹₉₄Pu. Эти вещества получили название ядерного горючего, или расщепляющихся материалов. Деление ядер этих изотопов вызывают нейтроны любой энергии, в том числе и медленные (тепловые) нейтроны.

Только один из расщепляющихся материалов, ²³⁵₉₂U, имеется в природе. Его содержание в природном уране составляет 0,7%. Основной изотоп природного урана ²³⁸₉₂U неспособен к цепной реакции. При делении каждого ядра ²³⁸₉₂U захватившего быстрый нейтрон, образуется 2—3 нейтрона, в среднем 2,5 нейтрона (как и при делении ²³⁵₉₂U). Однако в среднем один из них имеет энергию, недостаточную для деления, а из оставшихся только 1/5 часть успевает вызвать деление новых ядер ²³⁸₉₂U, не растеряв свою энергию при столкновениях Легко подсчитать, что для ²³⁸₉₂U коэффициент размножения нейтронов не может быть больше 0,3, и цепная реакция невозможна.

Два других расщепляющихся материала получают искусственно: ²³⁹₉₄Pu — из ²³⁸₉₂U при последовательных превращениях, a ²³⁸₉₂U — в результате аналогичных превращений из тория ²³²₉₀Th. Эти превращения осуществляются в ядерных реакторах. Изотопы ²³²₉₀Th и ²³⁸₉₂U, которые используются для получения расщепляющихся материалов, называются ядерным сырьем.

Как говорилось выше, для осуществления цепной реакции деления необходимо выполнение условия К_эфф => 1. Величина К_эфф зависит от массы ядерного горючего. При малой массе большая доля нейтронов деления вылетает в окружающую среду, не вызвав деления новых ядер, и К_эфф < 1.

Для каждого типа ядерного горючего существует критическая масса, при которой поддерживается цепная реакция деления (К_эфф = 1). Так, для чистого урана ²³⁵₉₂U критическая масса составляет несколько десятков килограммов. Превышение критической массы в одном куске приводит к ядерному взрыву. На этом и основан принцип действия атомной бомбы. Она состоит из двух (или трех) кусков расщепляющегося материала, каждый из которых имеет массу меньше критической, но их общая масса превышает критическую. Для осуществления взрыва куски очень бистро сближаются (с помощью специального взрывателя) и соединяются. Небольшое количество нейтронов, обеспечивающее начало цепной реакции, всегда имеется в расщепляющемся материале вследствие спонтанного деления его ядер. При взрыве атомной бомбы успевает произойти расщепление примерно 5% ядерного горючего. Ясно, что хранить расщепляющиеся материалы можно только в виде небольших кусков, разделенных значительными промежутками.

Величина критической массы определяется многими факторами. В частности, она зависит от формы: у куска урана в виде шара наименьшая поверхность, а значит, и наименьшая утечка нейтронов.

Утечку нейтронов можно уменьшить, используя замедлители нейтронов, а также оболочки, отражающие нейтроны (например, из бериллия). С помощью таких средств можно снизить критическую массу ²³⁵₉₂U до четверти килограмма.