核裂变
現今已經知道許多種類的核反應，核裂變和其他核反應最大的不同點是核裂變是由中子撞擊所產生，而產生的多個自由中子會撞擊其他核子，會啟動更多的核裂變，因此成為核連鎖反應（链反应的一種），有時可以控制一些條件來調整核連鎖反應的影響程度。
科学大纲
并不是所有的核燃料都是通过核裂变产生能量的。钚-238和一些其他的元素也能在放射性同位素热电机及其他类型的核电池中以放射性衰变的形式用于少量地发电。此外，诸如氚（H）等轻核素可以用作聚变核燃料。由于目前尚未有投入运行的商业核聚变反应堆，故核燃料一般指的是都裂变核燃料。
天然核反应堆
进一步调查发现，奥克洛铀矿的矿层中含有30多种核連鎖反應的副产物。副产物之一的钕，其同位素钕142不是裂变产生的，从而可以确定奥克洛铀矿中自然钕在核反应开始之前的丰度，进而确定核反应的效果和时间。最后认为由于奥克洛特殊的地质条件导致了从20亿年前开始的天然核反应。
衰变热
在核反应堆工程中，核反应堆关闭（参见与链式反应）和停止发电后，仍会继续产生衰变热。核反应堆关闭后，核分裂过程中产生的短寿命放射性同位素（如碘-131），仍会以高功率继续衰变一段时间。在刚关闭的核反应堆中，热的主要来源是在核分裂过程中，核分裂产物所产生的新的放射性元素的β衰变。
核武器设计方案
在二十世纪四十年代，洛斯阿拉莫斯的核弹设计者们认为第二阶段应该是一罐液态的氘，或者是氘的氢化物。聚变反应应该是D-D反应，虽然这个反应比D-T反应更难，但是更为可行。放置在一端的裂变核弹用冲击波压缩氘，同时加热离裂变核弹较近的一端，而聚变会通过管子传递到远端。但是数学仿真证明这个方案不可行，即使加入大量昂贵的氚也不行。
核裂变
若要進一步的了解臨界核反應堆的物理及操作方式，請參考，若要進一步的了解在社會、政治及環境的層面的觀點，請參考核子動力。
混合氧化物核燃料
另外，钚-241也是一种裂变物质，它很容易在热中子的作用下发生裂变，因此钚-241衰变成镅-241以后会减少能够用作核反应堆燃料的钚，而使能够俘获中子的原子核数量增加（尽管这些物质俘获原子核以后会转变成其他的可裂变同位素）。虽然经过放置，钚-238会通过α衰变成为铀-234，随后可以将其除去，从而对提升裂变物质的比例产生积极的效果，但是由于钚-238的半衰期为87.7年，比钚-241长的多，而且乏核燃料里面通常钚-238的含量也不高，因此这样做还是不值得的。钚-239、钚-240和钚-242的半衰期都非常长，因此它们的衰变可以忽略。钚-244的半衰期更长，但是它几乎无法通过中子俘获形成，这是因为钚-243衰变为镅-243的速度非常快，其半衰期仅有约5小时。
核動力
核裂变反应堆通过受控制的核裂变来获取核能，所獲核能以热量為形式从核燃料中释出。现行核电站所用的全為核裂变反应堆，这也是本段的主述内容。核裂变反应堆的输出功率為可调。核裂变反应堆也可依世代分类，比如说第一、第二和第三代核反应堆。现在的标准核反应堆都为压水式核反应堆（PWR）。
核裂变
所有可裂变物质及易裂变物质都會有部份原子出現自發裂变，釋出一些自由中子。自由中子的半衰期約15分鐘，之後會衰變為質子及β粒子，不過在半衰期之前中子就已撞擊到其他原子（新衰變的中子速度約為光速的7%，即使慢速的中子速度也是聲速的8倍。）。有些中子會撞擊原子，引發進一步的核裂变。若附近有夠多的核燃料，或者中子維持的夠久，發射出來的中子數量比離開核燃料的中子要多，此即為持續核連鎖反應。
核武器设计方案
从某种意义上说，裂变和聚变是相反的又互补的两种反应。为了理解核武器是如何设计的，我们首先要明白裂变和聚变的相似之处和不同之处。下面的解释使用了近似的数字
核武器
1938年12月，德國化學家弗里茨·施特拉斯曼和奥托·哈恩认证了中子轰击铀核产生的钡。1939年，奥地利-瑞典原子物理学家莉泽·迈特纳与她的外甥奥托·弗里施将施特拉斯曼發現的这一未知现象归结为铀核发生了核裂变，并在该年1月13日通过实验验证了这一点。苏联科学院的和雅可夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇对产生链式核裂变的条件进行了深入研究，1939年10月完成了《铀的主要同位素的链式裂变研究》与《论慢中子作用下铀的链式裂变反应》，发表在苏联《实验物理和理论物理》杂志上，系统阐明了铀-238只能用重水做减速剂才能链式裂变；铀-235在浓缩含量大于0.7%以上可以用轻水做减速剂发生链式反应。1940年3月，二人完成第三篇论文《铀核链式裂变的动力学问题研究》，发表在《实验物理和理论物理》杂志1940年第5期，阐明了核反应堆设计中起决定性作用的物理过程、慢中子与快中子的反应截面，缓发中子对超临界的影响、核能制造炸弹获取能量的可能性，理论计算得出了铀-235在快中子照射下的临界质量是10kg。1939年，苏联科学院列宁格勒物理技术研究所核研究室年轻的核物理学家格奥尔基·尼古拉耶维奇·弗廖罗夫与鲁西诺夫实验测量了每个铀核裂变时释放的次级中子数为3±1个。
核聚变
一般条件下氘核与氚核的混合态不会产生持续的核聚变。由于核子之间的距离小于10fm才会有核力的作用，因此核子必须靠外部能量聚合在一起。就算在温度极高，密度极大的太阳中心，平均每个质子要等待数十亿年才能参与一次聚变。要使聚变能够实际应用，原子核利用率必须大幅提升：温度提升到formula_1K，或施加极大的压强。实现自持聚变反应并获得能量增益的关于密度和压强的必要条件就是慣性局限融合。这一判据自1950年代氢弹爆炸成功而闻名，而在地球上实现慣性局限融合十分困难。
核連鎖反應
核連鎖反應（英文：Nuclear chain reaction），是當發生一個核反應，兩個或以上的周邊核反應被觸動，從而帶動其他核反應以指數形式增長。在臨界質量的核裂變燃料發生的不受控核連鎖反應可釋放出巨大能量，也是純核裂变炸弹的威力來源。在核子反应堆中，核連鎖反應可通過插入吸收中子的控制捧人工中止。
核武器设计方案
然而，一个爆炸的核弹就是一个核反应堆。上面所说的过程可以在二阶段热核武器的第二阶段中同时发生，于是也就在设备爆炸的同时提供了聚变所需要的氚。 在所有这三种类型的核武器中，纯裂变核弹仅使用了第一个核反应，第二个，聚变增强弹使用了前两个，而第三个，二阶段热核武器使用了所有的三个核反应。
核燃料
与核武器中不可控的核反应不同，核反应堆能控制核反应的反应速率。对于裂变核燃料，当今一些国家已经形成了相当成熟的核燃料循环，包含对核矿石的开采、提炼、浓缩、利用和最终处置。大多数裂变核燃料包含重裂变元素，最常见的是铀-235（U）和钚-239（Pu）。这些元素能发生核裂变从而释放能量。例如，铀-235能够通过吸收一个慢中子（亦称热中子）分裂成较小的核，同时释放出数量大于一个的快中子和大量能量。当反应堆中的中子减速剂令快中子转变为慢中子，慢中子再轰击堆中其他铀-235时，类似的核反应将能持续发生，即自我维持的核裂变链式反应。这使得自持链式反应成为可能，其释放的能量用在核反应堆中以可以控制的速率释放或在核武器中以非常迅速失控制速率释放。目前商业核反应堆的运行都需要依靠这种可以控制的持续的链式反应维持，但不仅限于铀元素这一种核燃料。
电磁型同位素分离器
1938年，德国化学家奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼发现核裂变，莉泽·迈特纳和奥托·弗里施提出了核裂变的理论解释。尼尔斯·玻尔将这一消息传播到了美国。  根据他的原子核液滴模型，玻尔从理论角度分析认为，主要导致热中子裂变的是铀-235而不是数量更丰富的铀-238。 1940年4月，为验证玻尔的说法，明尼苏达大学的用质谱仪制造出微量的浓缩铀-235。而后，约翰·邓宁、阿里斯蒂德·格罗斯（Aristid von Grosse）以及尤金·布斯（Eugene T. Booth）验证得出玻尔的理论分析是正确的。利奥·西拉德和沃尔特·津恩（Walter Zinn）很快又证实每一次核裂变都释放一个中子。至此，几乎可以肯定核链式反应是可以发生的，原子弹的开发具有理论可行性。因此也有人担心第一个原子弹计划会诞生在德国，尤其是那些从纳粹德国和其它法西斯国家逃难来的科学家们。
核裂变
在費米發表後，奧托·哈恩、莉澤·邁特納及弗里茨·施特拉斯曼等人在柏林進行類似的實驗。迈特纳是個奥地利犹太人，因為納粹1938年占領奥地利而失去了身份，迈特纳逃到瑞典，但繼續和哈恩通信。當迈特纳在12月19日收到哈恩的信，有一些化學的證據證實由中子撞擊鈾產生的原子是鋇 ，剛好她的姪子奥托·罗伯特·弗里施也在瑞典。哈恩認為是原子核的爆破，但他不知道有關此結果對應的物理基礎為何。鋇的原子量比鈾少40%，而當時還沒有任何已知的衰變會讓質量有這麼大的變化。弗里施懷疑此結果，但迈特纳相信哈恩在化學上的專業。迈特纳和弗里施正確的詮釋了哈恩實驗的結果，鈾原子核被分為大約兩半。弗里施建議此過程可以稱為「核分裂」，借用生物學中一個細胞分為二個細胞的細胞分裂。
临界事故
虽然临界事故危害较大，但是它一般达不到原子弹的设计条件，因此一般不会引发核爆炸。核反应产生的热量可能会让核材料膨胀，因此几秒之后材料又将处于亚临界状态，反应停止。在原子能的发展历程中，在反应堆外收集核裂变材料的时候曾经发生过60次临界事故，其中一些事故导致离事发地点较近的人员因接受了过量的辐射而死亡。不过，没有一宗事故引起过爆炸。
鉝
位於杜布納的Flerov核反應實驗室在2000至2006年進行了一系列的實驗，研究Lv复核的裂變特性。實驗使用了4條核反應：Cm+Ca、Cm+Ca、Pu+Ti和Th+Fe。結果反映了這種原子核裂變的方式主要為放出閉殼原子核，如Sn (Z=50, N=82)。另一發現為，使用Ca和Fe發射體的聚變裂變路徑產量相似，說明在未來合成超重元素時，可以使用Fe發射體。另外，比較使用Ca和Ti發射體合成Lv的實驗，如果用Ti，聚變裂變產量約少3倍，表示未來能用於合成超重元素。
超重元素
α粒子通常在放射性衰变中产生。α粒子中的每个核子的质量足够小，足以为α粒子留下一些能量，用作离开原子核的动能。自发裂变则是由静电排斥力将原子核撕裂，会产生各种不同的产物。随着原子序数增加，自发裂变迅速变得重要：自发裂变的部分半衰期从铀（元素92）到锘（元素102）下降了23个数量级，从钍（元素90）到镄（元素100）下降了30个数量级。早期的液滴模型因此表明，由于具有约280个核子的原子核的消失，自发裂变几乎会立即发生。 之后的核壳层模型表明具有大约300个核子的原子核将形成一个稳定岛，其中的原子核对自发裂变的抵抗力更强，并且主要经历具有更长半衰期的α衰变。 随后的发现表明，预测存在的稳定岛可能比原先预期的更远。他们还表明，长寿命锕系元素和稳定岛之间的原子核发生了变形，并从壳层效应中获得了额外的稳定性。 对较轻的超重核素以及那些更接近稳定岛的核素进行的实验表明，它们已经显示出比先前预期更大的抗自发裂变稳定性，表明壳层效应对原子核的重要性。
核裂变
許多重元素，像是鈾、钍、钚，會有由放射性衰變產生的自發裂變，以及由中子引發的核反應。任何吸收中子可以發生核裂變的原子核稱為「可裂变物质」（fissionable），但可以吸收緩慢移動的熱中子發生核裂變的原子核才能稱為易裂变物质（fissile）。一些特別的可裂变物质及其同位素（像U, U及Pu）可以維持鏈式反應，而且可以提取足夠數量以供使用，這類的物質稱為核燃料。
核裂变
核分裂時，大部分的分裂中子均是一分裂就立即釋出，稱為瞬發中子，少部分則在之後（一至數十秒）才釋出，稱為延遲中子。
核技术
随着人们对原子的认知加深，放射性的性质变得更加清晰。一些较大的原子核并不稳定，因此在随机时间间隔之后发生衰变（释放物质或能量）。贝克勒尔和居里发现的三种辐射也得到了更充分的了解。α衰变时，原子核释放α粒子，α粒子由两个质子和两个中子构成，相当于氦核。β衰变则释放β粒子，即高能电子的释放。γ衰变释放γ射线，这一射线不是物质，而是高频率的电磁辐射，即能量，这种类型的辐射是最危险、最难以阻挡的。所有三种辐射都会在某些元素中自然出现。
核燃料
目前在各种燃料中，核燃料是具有最高能量密度的燃料。例如，1千克铀-235完全裂变产生的能量约相当于2500吨煤燃烧所释放的能量。裂变核燃料有多种形式，其中金属核燃料、陶瓷核燃料和弥散型核燃料属于固体燃料，而熔盐核燃料则属于液体燃料，他们分别有着各自的特性，适用于不同类型的反应堆。
核裂变
在原理上，所有的核反應堆都可以達到上述的三種目的，但在實務上，這三個的工程目的會互相衝突，大部份的核反應堆只會考慮其中一個目的（以往有些試圖達到所有目的的核反應堆，例如Hanford N-reactor，後來已沒有使用）。核能發電是將核裂變產物動能轉換為熱能，再加熱工作流體驅動熱機，來產生機械能或是電能。工作流體一般是水，配合蒸汽渦輪發動機，不過有些設計也會用氦氣為工作流體。研究用核反應堆製造中子，可以用在許多領域，而核裂變產生的熱會視為不可用的廢熱。中子增殖反應爐是特別的研究用核反應堆，要處理的就是燃料本身，是U和U的混合物。
核裂变
核能發電應用中所使用的核燃料，鈾-235的含量通常很低，大約在3%到5%，因此不會產生核爆。但核電廠仍需要對反應爐中的中子數量加以控制，以防止功率過高造成爐心熔毀的事故。通常會在反應爐的慢化劑中添加硼，並使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核分裂速度。從鎘以後的所有元素都能分裂。
鈾
鈾-235是首個被發現的可裂變同位素。其他自然產生的同位素為「可以裂變」物質，而非「可裂變」（兩者之別請見可裂變物質）。在慢中子的撞擊下，鈾-235主要會分裂成兩個較小的原子核，同時釋放核結合能及更多的中子。當這些新產生的中子被足夠多的原子核吸收，就會產生核連鎖反應，瞬時發熱或（在特殊情況下）發生爆炸。核反應爐會使用中子毒物，通過吸收多餘的自由中子，來控制這類核連鎖反應的速度。這種吸收中子的物質通常置於反應爐的控制棒中。
核爆炸
核爆炸，一般是指核子武器在引爆時能量迅速释放的現象，現時的核子武器可分為威力較弱的裂变炸弹和威力較強的熱核炸弹。裂变炸弹的威力主要來自核裂变鏈式反應。雖然這樣說，不少裂变炸弹設计也會在能維持核分裂鏈式反應的材料（例如鈽-239）制成的炸彈核心的空心位置充入氚氣，利用氚在炸彈爆炸時發生的核融合反應產生的快中子，使不能維持核分裂鏈式反應的鈾-238中子反射層進行核分裂，增加炸彈威力。而熱核炸弹的威力則來自核裂变和核聚变这两者的多级串联组合所引发，這種多级串联组合的設計通常不要求各級的核反应維持自身的連鎖效應。
广岛市原子弹爆炸
“小男孩”搭载了50公斤的铀235。核裂变爆发的能量为500,000億焦耳，相当于15,000吨TNT当量。能量通过冲击波、热线、放射线等方式爆发出来，分别占50%、35%、15%的比例。
自發裂變
理論上能夠自發裂變的最輕自然核素為鈮-93和鉬-94（原子序分別為41和42）。在自然產生的鈮和鉬同位素中卻沒有觀察到自發裂變。它們一般是穩定同位素（在中，質量數A大於等於93的核素理論上都可以自發裂變（包括alpha衰變）。
自發裂變
自發裂變（）是一種放射性衰變，只發生於原子量高的化學元素。由於元素的核結合能在原子量約為58個原子質量單位（u）時最高，因此更高質量的原子核會自發性分解為較小的數個原子核，以及一些單獨的核子。
核裂变产物
由于核反应堆存在核泄露的隐患，因此放射性裂变产物受到广泛关注。事实上，也是很幸运的，没有半衰期为百年至二十万年之间的裂变产物，因此放射性裂变产物可以分成两类，一类放射性强，但是可以在数百年内衰变殆尽；另一类放射性很弱，它们的放射性低于相应裂变原料，即放射性矿物，采用废料回填矿坑的办法就能达成“核工业降低地壳的放射性总量”。
长寿命裂变产物
乏燃料經過幾年的冷卻之後，大部分放射性源自銫-137和鍶-90。二者在裂變反應中的產額大概都是6%，半衰期都在30年左右。其他半衰期在30年左右的核素要麽反應產額低，要麽在反應堆中經中子俘獲而被轉變成其他核素（比如釤-151、銪-155和鎘-113m），因此對乏燃料的放射性貢獻不大。在幾年到幾百年的時間裏，乏燃料的放射性基本可以認爲就是銫-137和鍶-90的放射性，可以通過二者指數衰變的疊加來模擬。它們被稱為中等壽命裂變產物。
核武器设计方案
为了应对公众对放射性尘降的恐慌，美国政府决定设计一种干净的核弹。这种核弹的威力仍然十分巨大，能够达到数百万吨当量，而释放的能量几乎仅仅依靠聚变。由于以前的大当量热核武器使用了裂变材料制成反射层，其裂变作为主要的能量来源，这种干净的核弹为了达到同样的当量就需要非常巨大的体积。在这种情况下，以次级核弹做为初级的第三个阶段被加入到核弹中。这枚核弹被命名为低音管。在红翼鸫行动中，代号Zuni的核试验测试了这枚核弹。这次核试验于1956年5月28日在比基尼环礁举行。在这枚核弹中，所有的铀都用铅来代替，当量为三百五十万吨。85%的能量都来自聚变，另外的15%的能量来自裂变。在公开的核试验结果中，聚变能量提供能量的比例最高的几次是红翼鸫行动中代号为Navajo的核试验，95%的能量都来自核聚变，压缩饼干行动中代号为Poplar的核试验，95.2%的能量来自核聚变，以及沙皇炸弹，97%的能量来自核聚变。
核反应
核反应（英語：Nuclear reaction）指的是某种微观粒子与原子核相互作用（碰撞）时，使核的结构发生变化，形成新核，放出一个或几个粒子的过程；重核可以发生裂变，輕核可以发生聚变。
自發裂變
由於裂變形成的產物原子核有限制，所以在一些原子量大於92原子質量單位（a.m.u）的原子核也理論上能夠進行自發裂變，而其自發裂變的概率隨著原子量的上升而增加。
核结合能
核结合能（），又稱為原子能或核能，是由组成原子核的粒子之间发生的反应释放出的能量。原子能比化学反应中释放的热能要大将近5千万倍：铀核裂变的这种原子能释放形式约为200,000,000电子伏特，而碳的燃烧这种化学反应能量仅放出4．1电子伏特。
核安全
即使裂变的副产物被适当地封装，当他们不再有用时依然会产生放射性废物。这些放射性废物必须使用适当手段进行处理。另外，核反应堆中暴露在中子辐射下的物质可能含有放射性，或者被其他放射性废物污染。还有，在核电站的运行过程中，可能会需要一些有毒的危险化学物质，这些物质也必须用适当的手段处理。
核裂变
就算是第一次的原子彈，其爆炸威力也比等重的多了數千倍。例如，小男孩原子彈的重量約4噸，其中60公斤是核燃料，約3.4公尺長，其爆炸威力相當於15000噸的TNT，摧毀廣島市大部份的建築。現代的核武器（包括氫彈等）比第一代等重的純核裂变武器破壞力又多了數百倍（參見核武器当量），因此現代的核导弹弹头只有小男孩核燃料重量的1/8（例如），TNT當量為475,000 噸，可摧毀比城市大十倍的區域。
核武器设计方案
在裂变反应慢下来以后，裂变材料的放射性仍然存在。由于新生成的元素中含有大量的中子，他们将通过β衰变转换成为新的原子核。在这个过程中，中子通过释放一个电子和γ射线转化为质子。每一个裂变产物的原子核都会衰变1到六次，平均为3次，可以产生大量不同元素的同位素，有些稳定，有些有放射性，有些半衰期甚至长达20万年。在反应堆中，这些放射性产物为用过的核燃料中的核废料。而在核武器中，这些放射性产物将产生放射性尘埃。
核裂变
核裂变是在1938年在威廉皇帝化學学会的建築物中發現的（現今的柏林自由大学內），當時放射性科學的研究以及描述原子內部的原子核物理学已進行了快五十年。欧内斯特·卢瑟福在1911年提出了原子模型（拉塞福模型），其中有體積很小、高密度且帶正電的核子，其中包含許多質子（當時還沒發現中子），周圍有許多在軌道上運動，帶有負電的電子。。尼尔斯·玻尔1913年在此為基礎，再加入電子的量子特性（波耳模型）。而亨利·貝克勒、瑪麗·居禮及皮埃爾·居禮的研究以及卢瑟福進一步的研究指出，雖然原子核的束縛力強，但雖然會有不同形式的核衰變（像α衰變會放出α粒子，也就是氦原子核，其中有二個中子和二個質子），之後嬗变為其他元素。
中子温度
大多数核裂变反应堆是热反应堆，它们使用中子减速剂使裂变产生的中子速度降低。减速可以大大增加裂变物质如铀-235、钚-239的原子核裂变反应截面。此外，铀-238对热中子的俘获截面很小，因此，减速以后更多的中子可以用于引发裂变，形成链式反应，而不会被铀-238俘获。这些效应使得轻水反应堆可以使用低浓缩铀。重水反应堆与石墨反应堆甚至可以使用天然铀作为核燃料，这是因为重水与石墨的中子俘获界面要比轻水小很多。
核武器
因此，通常裂变被用来引发聚变，帮助维持聚变，并增大聚变产生的中子携带的能量。注意在中子弹中，我们不需要使用裂变来增加释放能量，这是因为中子弹释放的中子就是我们需要的目标。
核武器设计方案
现代核武器都需要在某种程度上使用了D-T聚变反应。即使是纯裂变核弹，其中的中子源仍然是一个包含有微量氚和氘的高电压真空管。然而，在大众观念中，氢弹是一种数百万吨当量的核弹，要比在广岛投下的小男孩核弹威力大上千倍。实际上，这样高当量的核弹是一种二阶段热核武器，需要通过使用铀裂变来达到所需要的当量，而其能量的主要来源是裂变。
超重元素
原子核的稳定性源自于强核力。然而，强核力的作用距离很短，随着原子核越来越大，强核力对最外层的核子（质子和中子）的影响减弱。同时，原子核会被质子之间，范围不受限制的静电排斥力撕裂。强核力提供的核结合能以线性增长，而静电排斥力则以原子序数的平方增长，即后者增长更快，并且对于重元素和超重元素变得越来越重要。因此，超重元素的主要衰变方式——α衰变和自发裂变都是这种排斥引起的。 几乎所有会α衰变的核素都有超过210个核子，而主要通过自发裂变衰变的最轻核素有238个核子。在这两种衰变中，它们的有限位势垒抑制了原子核衰变，但它们可以隧穿这个势垒，发生衰变。
核裂变
這是第一次觀測到的核反應，也就是設法讓一個粒子衰變，產生其他粒子。1932年卢瑟福的同事欧内斯特·沃尔顿和約翰·考克饒夫完成了一個完全人工的核反應和核嬗变，利用人工加速的質子撞擊鋰-7，將其撞擊成二個α粒子，這當時稱為「分裂原子」，不過這個和後來重元素的核裂变不同。當時也在研究「結合原子」（即核融合）的可能性。第一個人工的核融合是馬克·歐力峰在1932年開始的，用二個加速的氘原子核（含有一個中子和一個質子）融合為一個氦原子核。
核裂变
核武器在軍事戰略上的重要性也造成核裂变的技術有高度的政治敏感度。在工程觀點來看，現行的原子彈還算簡單。但核燃料難以取得是大部份國家無法製造原子彈的原因，只有少數的現代工業國家才有核燃料，而且有特別的計劃來製造核燃料（參照濃縮鈾及核燃料循环）。
核電存廢問題
燃料棒裡的鈾235引發核裂变，釋放出中子與熱能。而中子經過緩速劑後，撞擊其他的鈾235引發核分裂。 使用水當緩速劑的反應爐，在高溫時會使水產生大量氣泡，理論上原本可以藉以降低核分裂的反應速度。 由於燃料棒的外殼，為了避免吸收中子，妨礙核分裂的反應，因此使用鋯。 可是鋯在攝氏1260度以上時，會跟水蒸氣反應產生氫氣。 且鋯水反應是持續增溫的放熱反應。因此在反應爐的冷卻系統故障時，可能引發氫氣的氣爆。 使用鈾235作為燃料棒的反應爐，因為燃料棒內也含有大量的鈾238，而鈾238在吸收中子後，會衰變為鈽239。
核反應堆冷卻劑
燃料棒產生高溫使水沸騰，轉換為蒸汽。災難期間停電時，可產生電力為水泵提供應急電源的柴油發電機被海嘯或地震所損壞，如果沒有新的水被泵進燃料棒，燃料棒會持續升溫。一但燃料棒的溫度達到1200°C，包裹核燃料的鋯管與水蒸氣發生化學反應，氫氣從水中分離出來。氫氣可從反應堆和壓力槽中不斷釋出。如果氫氣持續累積，濃度達到4%或更多時，氫氣便可以爆炸，氫氣爆炸發生在福島第一核電站第1，3，4號反應堆，2號反應堆打開了排氣口，把放射性氫氣排出，減低氫氣的壓力，但放射性氫氣污染了環境，因此2號反應堆並沒有發生氫氣爆炸。
核武器设计方案
1954年，为了解释氢弹中产生的大量的裂变产物放射性尘埃，Ralph Lapp使用名词裂变-聚变-裂变来描述它所谓的三阶段热核武器。他的描述是正确的，但是他所选用的名词在公开文献中造成了误解。核武器中所谓的阶段并不是裂变、聚变、裂变，而是初级核弹、次级核弹、甚至第三极核弹。每一级都使用了裂变、聚变、裂变。
核動力
无放射性的水蒸气是核电站在运行时释放出来的主要排泄物。核裂变会产生一些气体，比如说碘-131和氙-133。这些气体主要会被封在燃料棒中，但是在假定的事故中，会有少量气体被释放到冷却剂中。化学物品控制系统会将放射性气体隔离，这些气体需要被存放很长时间（半衰期的几倍），直到它们变的安全。碘-131和氙-133的半衰期分别为8.0天和5.2天，因此它们需要被储藏好几个月的时间。
核裂变
由於每次核分裂釋放出的中子數量大於一個，因此若對鏈式反應不加以控制，同時發生的核分裂數目將在極短時間內以幾何級数形式增長。若聚集在一起的重核原子足夠多，將會瞬間釋放大量的能量。原子彈便應用了核分裂的這種特性。製成原子彈所使用的重核含量，需要在90%以上。
核技术
核武器是一种爆炸性武器，它的破坏力来自核反应（核裂变，或核裂变与核聚变的组合）。两种反应都从相对少量的物质中释放出巨大的能量。即使是小型核装置也可以通过爆炸、火灾和辐射等破坏一个城市。核武器被认为是大规模杀伤性武器，自出现以来，其使用和控制一直是国际政策的一个主要关注点。
核燃料循环
核反应堆中取出的乏燃料包含有大量的可裂变物质（如铀-235、钚-239等）、增殖性物质（铀-238）以及其他放射性物质，包括放射性毒素。核裂变产物和增殖性物质可以通过化学方法从乏燃料中分离并提取出来。根据经济需要和实际情况，分离出来的铀和钚可以回收重新作为核燃料进行利用。但是当前美国并没有在民用乏燃料中回收铀和钚。
控制棒
在链式反应中，由于每次核裂变释放出的中子数量大于一个，因此若对链式反应不加以控制，同时发生的核裂变量目将在极短时间内以几何级数形式增长。若聚集在一起的重核原子足够多，将会瞬间释放大量的能量。如果不加以控制，反应堆可能会发生反应堆熔毁的事故。反应堆中有专门的设备收放控制棒，控制棒在一定情况下可以手动收放。控制控制棒与反应棒之间的相对距离，即控制棒的吸收面积，可以控制反应堆的反应速率。
铯
几乎所有的核裂变产生的铯都由开始富含中子的裂变产物的β衰变产生，例如各种碘的同位素以及氙的同位素 。由于碘和氙容易挥发，并且可以通过核燃料或者空气扩散，辐射性的铯经常在远离裂变地点的地方产生。自从1945年开始进行核试验，铯-137被释放入大气层并作为放射性尘埃落回地球表面。
核武器
核裂变将重原子核分裂为轻一些的原子核，而核聚变则是将轻的原子核聚在一起形成更重的原子核。从某种意义上说，裂变和聚变是相反的又互补的两种反应。下面的解释使用了近似的数字
可裂变物质
核燃料中的可裂变核素包括以下几种：可裂变物质的核素俘获一个中子后并不一定会发生裂变。发生裂变的概率取决于原子核的种类和中子的能量。对于低能中子和中等能量的中子，中子俘获发生裂变的反应截面为(σ)，而俘获后放出γ射线的反应截面为 (σ)，不发生裂变的比例如右表所示。
核燃料循环
不管是核子發電或是核子武器，依賴的都是同樣的一種物質，叫可裂變物質，是一種有能力維持核裂變鏈式反應的物質。可裂變物質包括鈾與鈽。鈾與鈽都有許多的同位素，但只有少部份同位素是可裂變物質。鈾-235與鈽-239可分裂，大部分其他的鈾鈽同位素都不行。換句話來說，鈾-235與鈽-239都可以運用在核能發電，也可以用來做核子炸彈，二次世界大戰時，丟在廣島的小男孩原子彈是鈾-235造的，而丟在長崎的胖子原子彈是鈽-239造的。
氢弹
它的爆炸过程大致是：核裂变—核聚变—核裂变。它的核装料中，最外部是铀-238，里面包裹着一个原子弹。它的特点是，借助核聚變产生的大量中子轰击铀-238，使铀-238发生裂变反应。这种氢铀弹的威力非常大，放射性尘埃多，所以是一种“骯髒”的核武器，但是其具有空前绝后的爆炸威力。
鎶
核聚變反應根據所涉及的能量被分為“熱聚變”和“冷聚變”。在熱核聚變反應中，高能量的輕離子加速撞向質量高的目標體（多數用錒系元素），從而產生高激發能（約40至50 MeV）的複核，並可能釋放3至5個中子。在冷聚變反應中，產生的原子核激發能（約10至20 MeV）相對較低，這降低了發生裂變反應的概率。原子核冷卻到基態時，只釋放一個或兩個中子，因此產物的中子數可較高。此處所說的冷聚變反應有別於在室溫條件下發生的核聚變反應（見冷聚變）。
混合氧化物核燃料
在任何一个基于铀的核反应堆堆芯中，都有两种发生裂变反应的同位素，一种是原有的铀-235，另一种是由较重的同位素如铀-238俘获中子后转变而成的同位素。核反应堆中燃料的绝大部分都是铀-238。铀-238俘获一个中子以后变成铀-239，随后经过两次β衰变就会转化成钚-239。而如果铀-239再捕获一些中子，则会相应的转化为钚-240、钚-241、钚-242以及其他超铀元素的同位素。钚-239和钚-241和铀-235一样，都是裂变物质。少量的铀-236、镎-237和钚-238可以由铀-235发生中子俘获转化而来。
核燃料
氘与氚都可被视作与第一代聚变核燃料。因为氘与氚所带电荷较少，所以在所有核素中它们是最易发生核聚变的。下面列举的是最常被引用的发生在第一代聚变核燃料之间的三种核反应：
曼哈顿计划
1938年，德国化学家奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼共同发现了核裂变现象，不久后莉泽·迈特纳与奥托·弗里施又洞晓了其背后的理论原理，使得核武器的开发有了理论依据。当时人们很担心德国会率先造出原子弹，从納粹德國等法西斯国家流亡的科学家对此更是恐慌不已。1939年8月，匈牙利裔物理学家利奧·西拉德和尤金·维格纳共同起草愛因斯坦-西拉德信，警告有人可能要研发一种“极为强力的新型炸弹”。信中还强烈建议美国政府大量囤积，督促恩里科·费米等学者进行核連鎖反應的有关研究。信件由阿尔伯特·爱因斯坦落款署名，递送至时任美国总统富兰克林·德拉诺·罗斯福的手中。罗斯福命国家标准局局长莱曼·布里格斯组建铀顾问团，详议爱因斯坦-西拉德信提及的问题。布里格斯在1939年10月21日召开了一次会议，出席者有西拉德、维格纳和愛德華·泰勒。该年11月，委员会回禀罗斯福称，铀“或可被制成炸弹，其破坏力将远大于目前所知的任何武器”。
長崎市原子彈爆炸
鈽原子彈的核裂变反應與鈾原子彈所作出的不盡相同，所以兩者構造不一，若果換算成TNT炸藥的尺度，胖子原子彈的破壞力可造成22,000噸TNT炸藥的等量破壞。而使用了鈾-235的小男孩原子彈則可以造成等同15,000噸TNT炸藥的破壞，換言之胖子原子彈的破壞力大約是小男孩原子彈的1.5倍。
核反应堆
核子反應爐（）是一种启动、控制并维持核裂变或核聚變链式反应的装置。相对于核武爆炸瞬间所发生的失控链式反应，在反应堆之中，核变的速率可以得到精确的控制，其能量能够以较慢的速度向外释放，供人们利用。自20世纪50年代以来，裂变反应堆的相关技术早已成熟，但对于聚变反应堆的开发至今仍处于探索阶段。
长寿命裂变产物
當反應堆或者乏燃料發生核泄漏時，只會有部分核素外泄。這種泄漏的同位素特徵和大氣層核爆炸完全不同。
快中子增殖反应堆
核燃料进行裂变反应时，每次的裂变会产生2到3个中子，如果反应器的核裂变都将由快中子所诱发，这类的反应器就称为快中子反应器。快中子有的会逃出核心、被其它材料吸收或被燃料本身吸收，若能有至少一个中子能再诱发分裂，核反应就能持续下去，形成鏈反應。而在反应器中，可裂变物质一方面因分裂而消耗，另一方面却因增殖性材料捕获中子变为可裂变物质而增加，若增加的速度快过消耗的速度，这种反应器就称为滋生反应器。
莉泽·迈特纳
迈特纳和弗里施是在他们在树林里散步的时候想到裂变的主意的。裂变后的原子核的总质量比裂变前的铀核的质量小，这个小小的质量差转换成了能量。迈特纳使用爱因斯坦的相对论中E=mc的方程计算出每个裂变原子核释放2亿电子伏特的能量。由此迈特纳奠定了原子弹和原子能的基础。据说迈特纳将他们的结果告诉尼尔斯·玻尔后，玻尔说：“啊，我们真蠢啊。”
核燃料
聚变核燃料包括氘（H）、氚（H）及氦-3（He）等。尽管还有众多核素之间也能发生核聚变，但因为原子核所带电荷越多则需要更高的温度引发核聚变，所以仅有质量最轻的几种核素才被视为聚变核燃料。虽然核聚变的能量密度甚至比核裂变的还高，且人们已经制造出可以维持数分钟的核聚变反应堆，但将聚变核燃料用作为能源仍只在理论上可行。
銣的同位素
也是核裂變產物之一。
增殖性材料
在核反应堆中，通过俘获一个中子就可以转化为裂变材料的人工合成同位素包括： 有一些超铀元素需要俘获超过一个中子才能转变成半衰期较长的可裂变物质，这样这些物质才有可能在衰变前通过捕获一个中子发生裂变 由于在最终转变为可裂变物质前，每个反应都需要3个到4个热中子，而一个热中子引发的裂变仅仅释放出2到3个中子，这些核素反应会减少自由中子的数量。在快速反应堆中，可能需要较少的中子就可以变成裂变材料，而在他们裂变时会产生更多的中子。
核動力
现今正在运营的核反应堆可依裂變的方式區分为两大類，各類中又可依控制裂變的手段區分為數個子類別：
核裂变
可以產生核連鎖反應的化學元素同位素稱為核燃料，也稱為可裂变物质。其中最重要的是U（鈾元素的同位素，原子量235），是及Pu（鈽元素的同位素，原子量239），這些核燃料分裂後大部份會形成原子量在95及135左右的元素（核裂變產物）。大部份核燃料的自發裂變非常緩慢，透過α/β衰變鏈，時間從的數千紀到數地質年代。在核反应堆或是核武中，大部的核裂變是由中子的撞擊產生，而核裂變也會產生中子，引發更多的核裂變。
核武器
当一个自由的中子击中了一个可能会发生裂变的原子核，例如 铀 时，铀原子核会分裂成两个较小的原子核，称为裂变碎块，同时产生更多的中子。裂变可以自己维持，就是因为它能产生越来越多的能够触发新的裂变的中子。
核武器
核分裂的鏈式反應只有特定符合條件的物質才能維持，這些符合條件的物質稱為「可裂变物质」。可裂變物質一般都能夠成為核子武器中構成核分裂反應部份的裝填物，例如鈾-232、鈾-233、鈾-235、鈽-239、鈽-241、鋦-242和鋦-248之間的同位素、鋦-250、鉲-249、鉲-251、鋂-242等等。一公斤鈽-239核分裂能產生等同於兩萬一千噸TNT的能量，是鈽彈威力的主要來源。在生產鈽-239時會產生雜質鈽-240，一般而言鈽-240的含量比例要低於7%，才能作為核子武器的源材料。鈾-233可以進行鏈式裂變反應。美國曾在1955年試驗了一枚鈾-233測試彈。他們總結鈾-233核彈是非常強力的武器，但是與同時的鈾鈽核彈相比，它只有少量的可持續技術優勢，特別是純同位素鈾-233難以取得。鋂-242m1的熱中子吸收截面最大，為5,700靶恩，因此維持核連鎖反應所需的臨界質量很低。裸露的鋂-242m1球體臨界質量大約為9至14公斤（不確定性是由於缺乏有關其物質特性的數據）。加上中子反射体後，臨界質量可降至3至5公斤，如果使用水反射体則更低。這樣小的臨界質量有助於製造手提核武器，但由於鋂-242m1的稀少和昂貴，故未能實現。
核燃料循环
钍在中子的轰击下将会形成铀-233。铀-233是一种可裂变物质，它的裂变反射截面要比铀-235和铀-238更大，因此在发生中子俘获后产生的其他锕系元素很少。
反應棒
使用铀作为燃料的反应堆中，裂变产物中包括钚，一种可以制造核武器的裂变材料，因此反应棒的再处理有时会引起国际争议。
锝
鈾-235和鈈-239的裂變都可以產生鍀-99。因此，鍀-99不但存在于核廢料中，也存在于裂變核武器爆炸后產生的放射性落下灰中。在乏燃料貯存過程中，鍀-99的放射性在10到10年之間將居主導地位。据估算，1945年到1994年間大氣層核試驗一共向環境釋放了250公斤鍀。截至1986年，人類核反應堆一共排放了1600公斤鍀，主要是在乏燃料再處理過程中排放的；大部分進入海洋。隨著再處理技術的發展，反應堆鍀的排放逐漸減少。到2005年，最主要的排放源是英國謝拉斐爾德再處理厰（Sellafield Ltd）。据估計，1995年到1999年，該廠一共向愛爾蘭海排放了900公斤鍀。2000年后，法律規定該廠每年只能排放140公斤鍀。該廠的排放導致某些海產品含有微量的鍀。比如，英國坎布里亞郡西部捕獲的歐洲龍蝦和魚含有1 Bq/公斤的鍀。
核嬗变
天然核嬗變創造了自然界所有天然存在的化學元素。目前我們仍然能夠觀察到天然核嬗變的發生，比如某些核素的α衰變和β衰變。一個例子是空氣中的氬-40大部分來自鉀-40的衰變。另外，高能宇宙射線一直在不停的轟擊地球的大氣層，形成一些新的核素，比如碳-14。最後，在某些特殊的條件下和環境中，自然中子亦可以引發裂變反應，比如在加蓬的奧克洛天然核反應堆。 人工核嬗變可以通過粒子加速器、托卡馬克和核反應堆來實現。通過把長壽、高放射性的核素轉變為短壽或者穩定、低放射性的核素，人工核嬗變也許可以用來降低核廢料的放射性和毒性，或縮減其體積。
核爆炸
原子弹
地下核試驗
核爆炸的能量在1微秒內釋放出來。在隨後的幾微秒，其自身和四周岩石在數百萬度和數百萬倍的大氣壓下被汽化。在幾毫秒內，形成高壓氣體和蒸氣氣泡。熱和向外擴展的衝擊波使四周岩石汽化，較遠的岩石會熔化，形成熔洞(英語:melt cavity)。衝擊波包含大量動能和高壓導致此熔洞向外擴展，持續十分之幾秒，直至壓力下降至和上方的岩石的重量大致相同時，便不能再增長。雖然不能觀察每場爆炸，但四個不同的區域(包括熔洞)會用於形容四周岩石。破碎帶，大約是熔洞半徑的2倍，這區域的岩石破碎，失去了它們原本的完整性。破裂帶，大約是熔洞半徑的3倍，這區域的岩石有放射狀(指向外擴展)裂縫。最後，是不可逆應變帶，這區域的岩石因壓力變形。其後的岩石只發生，形變和隨後的釋放形成地震波。數秒後，熔化的岩石會在熔洞底部聚集，熔洞的內容物開始冷卻。衝擊波之後的反彈導致壓縮力在熔洞周圍積聚，這被稱為壓力抑制籠(英語:stress containment cage)，封住裂縫。 數分鐘至數日後，一旦熱消散得足夠多，蒸汽凝結，熔洞內的壓力降至不足以承受外界壓力時，上方的岩石便會坍塌，掉入熔洞。這種情況取決於十分多的因素，包括核武器當量、埋藏方式等，坍塌也可能會延續至地面，形成下陷坑。大多數的下陷坑呈碗形，下陷坑的直徑介乎幾十米至大於一公里。在內華達試驗場，95%的核試驗在其埋藏密封深度少於150米的地底下進行，導致地面下陷，而在埋藏密封深度不到180米的情況下進行的核試驗約有一半。熔洞的半徑"r"(以ft為單位)與核武器爆炸當量"y"(以kt為單位)的立方根是成正比的，如"r" = 55 * formula_1，一個爆炸當量為8kt的核武器爆炸會產生一個半徑為34米的熔洞。 其他對地面的影響包括壓力脊，斷層，水的流動(包括地下水位的改變)，岩崩和坍塌等。熔洞中大部分氣體是由蒸汽組成，其體積因溫度下降和凝結而急劇減少。但那裹也有其他氣體，主要是二氧化碳和氫氣，它們不會凝結並保持在氣態。二氧化碳是由碳酸鹽的熱分解所產生，氫氣是核裝置及周邊設備的鐵和其他金屬反應產生的。在評估測試場地時，必須考慮土壤中碳酸鹽和水的含量和鐵的量。在常溫常壓下不凝結的氣體可能會留在土壤的孔隙中，大量的上述氣體可保持足夠的壓力並將裂變產物帶到地面。
核武器
在武器控制的条约中，特别是禁止生产核武器用裂变物质条约的提案中，可裂变物质通常用来指主要用于核武器中的可裂变物质。这些物质可以维持有爆炸性的裂变链式反应。符合这个定义但不符合通常核物理中定义的物质是镎-237。
鈾
鈾獨特的核子特性有很大的實用價值。鈾-235是唯一可自发裂變的鈾同位素，因此被廣泛的使用於核能發電以及核武的製造，然而，其在大自然存在的濃度極低，必須經過濃縮方可使用。鈾-238在快速中子撞擊下能夠裂變，屬於增殖性材料，即能在核反應爐中經核嬗變成為可裂變的鈈-239。鈾-233也是一種用於核科技的可裂變同位素，可從自然釷元素製成。鈾-238自發裂變的機率极低，快中子撞擊可诱导其裂變；鈾-235和233可被慢中子撞击而裂变，如果其质量超过临界质量，就都能夠維持核連鎖反應，在核反应过程中的微小质量损失会转化成巨大的能量。这一特性使它们可用于生产核裂变武器与核能发电。耗尽后的鈾-235发电原料被称为貧鈾（含U），可用做钢材添加剂，製造贫铀弹和裝甲。
核武器
然而，一个爆炸的核弹就是一个核反应堆。上面所说的过程可以在二阶段热核武器的第二阶段中同时发生，于是也就在设备爆炸的同时提供了聚变所需要的氚。 在所有这三种类型的核武器中，纯裂变核弹仅使用了第一个核反应，第二个，聚变增强弹使用了前两个，而第三个，二阶段热核武器使用了所有的三个核反应。
核裂变
英國科學家詹姆斯·查德威克在1932年發現中子，之後恩里科·費米和他在羅馬的同事在1934年研究用中子撞擊原子序為92的鈾原子。費米認為他們的實驗產生了有93個質子及94個質子的元素，命名為Ausonium及，不過有些科學家不認同費米下的結論。德國科學家伊达·诺达克在1934年提出質疑，認為產生的不是一個新的，原子序93的元素，而是「原子核被分為數個較大的碎片。。只是當時很少人支持诺达克的論點。
曼哈顿计划
1942年，学者们在伯克利又召开了一次核武器研讨会议。鉴于核裂变炸弹的理论探讨告一段落，科学家将注意力转向了其他话题。爱德华·泰勒想要讨论一种更为强力的“超级炸弹”（即氢弹），利用核裂变带来的爆炸冲击来引爆氘和氚并引发核聚变。泰勒提议了各种方案，但被贝特一一否决。核聚变的思路也被搁置，人们转为继续深入探讨核裂变炸弹的制造方法。泰勒还推测，理论上通过一种氮原子核聚变反应，原子弹可能会“点燃”引爆点周围的大气。贝特在经过一番计算后认为大气不会被点燃，泰勒作为共同作者参与的一篇报告也指出“不会出现自发的核链式反应”。瑟伯尔后来回忆道，奥本海默曾对阿瑟·康普顿顺口一提此事，后者“开始对此喋喋不休”，“这事情不知怎么被写进一份递至华府的文件中”，“就此没完没了起来”。
核裂变
現代的核裂变多半是刻意產生，由中子撞擊引發的人造核反應，偶爾會有自發性的，因放射性衰變產生的核裂变，後者不需要中子的引發，特別會出現在一些質量數非常高的同位素，其產物的組成有相當的機率性甚至混沌性，和质子发射、α衰變、等單純由量子穿隧產生的裂变不同，後面這些裂变每次都會產生相同的產物。原子彈以及核电站的能量来源都是核裂变。核燃料是指一物質當中子撞擊引發核裂变時也會釋放中子，因此可以產生連鎖反應，使核裂变持續進行。在核电站中，其能量產生速率控制在一個較小的速率，而在原子彈中能量以非常快速不受控制的方式釋放。
十字路口行动
Baker核試一共產生約核裂變產物。這些污染物混合在水霧、水牆以及雲團，最後大部分均返回潟湖，並隨著潮汐及洋流帶到其他地方。然而當水牆倒塌之時，再次激起部分受污染的水霧，並隨著輻射性海潮向外高速擴散，最後隨風漂到測試場地以外。更危險的是，當這些水霧的水汽蒸發以後，這些裂變產物便會變成透明，無法以肉眼看見，並繼續隨風擴散，威脅人身安全。
科学大纲
目前在各种燃料中，核燃料是具有最高能量密度的燃料。例如，1千克铀-235完全裂变产生的能量约相当于2500吨煤燃烧所释放的能量。裂变核燃料有多种形式，其中金属核燃料、陶瓷核燃料和弥散型核燃料属于固体燃料，而熔盐核燃料则属于液体燃料，他们分别有着各自的特性，适用于不同类型的反应堆。
泰勒-乌拉姆构型
初级核弹被认为是一种标准的内爆式裂变弹，但是也很有可能是一种钚核心的聚变增强裂变弹，其中添加了少量的聚变燃料（50:50的氘氚混合气体）以提高裂变的效率。聚变燃料在被加热和压缩以后发生聚变可以提供额外的高能中子，引发更多的链式反应。一般来说，能够创造热核武器的研究计划都是建立在已经能够生产聚变增强裂变弹的技术基础上的。这些核弹的弹芯一般由钚-239或者铀-235制成球形，外部的传统高爆炸药排成特殊的形状称为爆炸透镜。当引爆时，这些爆炸透镜会将球形弹芯压缩成更小的球体，达到临界质量引发链式反应，发生核爆炸。这是传统意义上的原子弹的工作原理。
核武器设计方案
早期的媒体一般都将纯裂变核弹称为原子弹，由于核爆炸的能量实际上来自于原子核而非原子，原子弹这个名字并不恰当。而带有聚变的核弹一般都称为氢弹，但是由于所谓氢弹核爆炸能量的主要来源仍然是核裂变，这个名字依然不够恰当。业内人士一般将这两种类型的核武器称为核弹和热核武器。热核武器的名字来源于核聚变一般都需要高温，但是它没有指出核聚变的另一个条件——高压，而这个条件是研制热核武器时的一个秘密。由于需要保密，很多核武器的术语都不甚精确。
核燃料
并不是所有的核燃料都是通过核裂变产生能量的。钚-238和一些其他的元素也能在放射性同位素热电机及其他类型的核电池中以放射性衰变的形式用于少量地发电。此外，诸如氚（H）等轻核素可以用作聚变核燃料。由于目前尚未有投入运行的商业核聚变反应堆，故核燃料一般指的都是裂变核燃料。
原子弹
铀-235和钚-239此类重原子核在中子的轰击后，通常会分裂变成两个中等质量的核，同时再放出2到3个中子和200兆电子伏的能量。在裂变中放出的中子，一些在裂变系统中损耗了，而一些则继续进行重核裂变反应。只要在每一次的核裂变中所裂变出的中子数平均多余一个，那么核裂变即可以继续进行，一次一次的反应后，裂变出的中子总数以指数形式增长，而产生的能量也随之剧增。如果不加控制，最终，这个裂变系统会变为一个剧烈的链式裂变反应。
弗里茨·施特拉斯曼
1938年，他和奥托·哈恩认证了中子轰击铀核产生的钡，发现了核裂变现象。
核燃料循环
由于很多锕系元素的中子反应截面随着中子能量的增加而减小，但是裂变与中子俘获的比例又随着中子能量的增加而增加。因此只要中子能量足够高，就可以击碎原子核而不产生更重的元素，直接发生裂变。这将使得对乏燃料中的锕系元素后处理更加容易。根据这个理论，一个替代方案是采用加速器驱动的次临界反应堆。在这种方案中，一束质子（美国和欧洲的设计）或电子（日本的设计）被射入目标靶中，如果使用质子，能量非常高的中子会脱离目标靶，而如果使用电子，将会产生高能质子。这些高能质子和中子可以诱发重锕系元素原子核的裂变。与其它中子源相比，这种反应堆有着很高的中子能量： 此外的替代方案是，半衰期长为18年的锔-244可以在重新用于快速反应堆核燃料前经过放置让其衰变为钚-240。
中微子
核反应堆是人工生成中微子的主要来源。裂变产物中富有中子的子核会发生β衰变从而产生反中微子。反中微子流通常来源于以下四种同位素：、、以及。平均而言，单次裂变反应会释放近的能量，其中的近4.5%，也就是约的能量会通过反中微子放射出来。比如说，对于一个一般规模的核心热功率大约为、产生电功率为的反应堆而言，实际由裂变产生的能量功率为。这之间相差的会随着反中微子放射出反应堆。由于反中微子的高穿透性，这些能量可以视作完全耗损掉而没有转化为推动涡轮的热能。
核武器设计方案
核裂变将重原子核分裂为轻一些的原子核，而核聚变则是将轻的原子核聚在一起形成更重的原子核。这两种反应都可能释放出超出化学反应数百万倍的能量。根据一份法国专利提供的数据，核武器的威力比非核武器强大数百万倍。
核武器
同时，在爆炸时的核弹内部，裂变所释放出来的中子会撞击临近的铀原子核并使它们也发生裂变。这样发生裂变的原子数量以指数的速度上升（这也就是所谓的链式反应）。在短短的一微秒内，发生裂变的原子数就可以翻上一百番，也就是将会有数吨的铀原子发生裂变。但是实际上，核弹中的装药不会有这么多，而且在核装药被炸开之前，通常只有数千克的铀发生了裂变反应。核武器设计中的一个关键难题就是如何保证核装药能够保持尽可能长的时间不被炸散。核裂变所释放出来的热量会使铀发生膨胀，使得铀原子的距离变远。这样裂变所释放出来的中子在触发新的裂变之前就飞出核装药的可能性就会大大增加，甚至会导致链式反应停止。
千瓦级
核反应由一根碳化硼棒来控制，碳化硼是一种中子吸收剂。为防止高放射性核裂变产物的形成，反应堆打算冷态发射。一旦反应堆抵达目的地，就会移走吸收中子的硼棒，让链式反应开始进行 。一旦反应开始，裂变产生的系列衰变就无法完全停止。然而，控制棒的插入深度提供了一种调节铀裂变速率的机制，使热量输出与负荷相匹配。
曼哈顿计划
美國海軍向哥伦比亚大学资助了6,000美金，费米和西拉德将这笔钱基本都花在了购置石墨上。二人联手尤金·布思和约翰·邓宁等哥伦比亚大学教授实现了美国首个核裂变反应，验证了哈恩和施特拉斯曼的发现。他们随后又陆陆续续在哥伦比亚大学卜平樓制造了一系列核反应堆原型，但未能实现链式反应。1940年6月27日，国防部科研委员会（）成立，主席万尼瓦尔·布什立刻将铀顾问团划入NDRC，并改组为铀委员会，直接对他负责。布里格斯申请了167,000美元的经费用来研究铀（尤其是同位素鈾-235）和1940年在加利福尼亞大學发现的钚元素。1941年6月28日，罗斯福签署了第8807号总统令，成立了科学研究与开发办公室（简写为OSRD），继续由万尼瓦尔·布什担任主管，NDRC并入其中。除了研究任务外，OSRD还获准许参与大型工程项目。铀委员会从NDRC分离出来直属OSRD，安全起见，“铀”一字也被从委员会名称中移除，改名成“S-1分部”。