Rozszczepienie jądra atomowego jest procesem, w którym jądro dzieli się na dwa (czasem nawet trzy) lżejsze jądra (fragmenty rozszczepienia). Zwykle towarzyszy temu uwalnianie innych cząstek (np. neutronów) i promieniowania elektromagnetycznego (promieniowania gamma). Rozszczepienie może następować spontanicznie lecz częściej jest wymuszone.

Najczęstszą reakcją rozszczepienia występującą w reaktorze jest:

n + ²³⁵U → X + Y + (0-8)n + γ + energia nadmiarowa,

gdzie X i Y oznaczają jądra, na które dzieli się jądro uranu. Są one nazywane fragmentami rozszczepienia, np.:  ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe, i inne, których masy niemal sumują się do masy oryginalnego jądra uranu (zauważmy, że jest uwalnianych od 0 do 8 neutronów)

Izotop ²³⁵U jest jedynym jądrem rozszczepialnym istniejącym w naturze. Rozszczepialnym czyli poddającym się rozszczepieniu po wychwycie powolnego (termicznego) neutronu. Jednakże w uranie naturalnym koncentracja izotopu ²³⁵U jest bardzo mała, około 0,72% - reszta to w większości ²³⁸U. Inne rozszczepialne jądra mogą być wytwarzane sztucznie.

W każdym rozszczepieniu jądra uranu powstaje średnio 2,5 neutronu, a więc reakcja prowadzi do zwiększania liczby neutronów w systemie. Większość fragmentów rozpadu jest radioaktywna i średnio w pojedynczej reakcji jest emitowane około pięciu fotonów (promieni gamma).

Animacja pokazuje reakcję rozszczepienia n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

W wyniku absorpcji neutronu przez jądro ²³⁵U powstaje jądro ²³⁶U, mające tak wysoką energię, że nukleony wewnątrz niego zaczynają gwałtownie oscylować i jądro wydłuża się.

W ciągu około 10^-12 s to wydłużenie powoduje przekształcenie jądra w dwie części połączone wąską szyjką. Jądro dzieli się na dwie części jak duża kropla skapująca z kranu dzieli się na dwie mniejsze krople. Siły jądrowe nadal działają między nukleonami z dwóch przeciwnych krańców wydłużonego jądra, ale już nie tak silnie. W tym samym czasie obie części odpychają się wzajemnie siłami elektrostatycznymi działającymi między protonami i rozszczepiają jądro na dwa fragmenty.

Na ilustracji widzimy przykład rozszczepienia. Gwiazdka oznacza, że jądro uranu jest w stanie wzbudzonym, tzn. uzyskało nadwyżkę energii, która nie pozwala na osiągnięcie stabilności.

Energia uwolniona w wyniku rozszczepienia jądra ²³⁵U wynosi około 200MeV. Jest to energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia (około 167MeV), neutronów (około 5MeV) oraz około 17MeV energii uwolnionej w postaci promieniowania beta (średnio 3 rozpady na fragment). Pozostałe 7MeV jest emitowane w postaci promieniowania gamma.

Pamiętajmy, że spalenie pojedynczego atomu węgla daje jedynie około 4eV energii - około 50 milionów razy mniej! Energia na cząsteczkę uwalniana podczas wybuchu TNT (trotylu) jest również porównywalnie niewielka: mniejsza około 18 milionów razy.

W typowej reakcji rozszczepienia ²³⁵U powstaje około 2 neutronów.

Jeżeli te dwa neutrony zostaną pochłonięte przez dwa kolejne jądra ²³⁵U i spowodują, jak poprzednio, rozszczepienia z dwoma neutronami na rozszczepienie, to otrzymamy 4 neutrony. Te cztery neutrony mogą pobudzić nowe 4 procesy rozszczepienia dające w sumie 8 neutronów. Liczba produkowanych neutronów w systemie będzie rosła w postępie geometrycznym, czyli nastąpi reakcja łańcuchowa.

Nie tylko liczba neutronów będzie wzrastać geometrycznie. Gwałtownie i silnie wzrośnie również uwalniana energia. Jeżeli nastąpi rozszczepienie 1g ²³⁵U zostanie uwolniona energia 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. Jest to energia masy 1000 ton spadającej na Ziemię z wysokości 8,2km!

W reakcji łańcuchowej liczba pojedynczych rozszczepień jest proporcjonalna do liczby rozszczepialnych jąder znajdujących się w materiale. Neutrony produkowane podczas rozszczepienia mogą inicjować kolejne rozszczepienia jeżeli zostaną zaabsorbowane przez jądra rozszczepialne. Ale neutrony mogą być pochłonięte przez jądra innego typu, bądź nawet uciec z materiału. Tak więc jest możliwe, że prawdopodobieństwo rozszczepienia będzie mniejsze od 1. Jednakże mamy kilka sposobów na zwiększenie tego prawdopodobieństwa.

Energia neutronów uwalnianych podczas rozszczepienia wynosi ok. 1-2 MeV. Prawdopodobieństwo, że tak szybkie neutrony spowodują rozszczepienie jądra ²³⁵U jest małe i zwykle takie neutrony miną bardzo wiele jąder zanim zostaną pochłonięte i spowodują rozszczepienie. Jednym z rozwiązań jest ich spowolnienie tzn. spowodowanie, aby ich energia się zmniejszyła (do ułamka 1eV). Wzrost prawdopodobieństwa zderzenia powolnych neutronów z jądrem można tłumaczyć ich dłuższym pozostawaniem w kontakcie z jądrem uranu. Takie neutrony nazywamy neutronami termicznymi, ponieważ ich energia kinetyczna jest zbliżona do energii kinetycznej cząsteczek powietrza wokół nas. Aby spowolnić neutrony np. w reaktorze korzystającym z reakcji rozszczepienia wypełnia się przestrzenie między materiałem rozszczepialnym tak zwanym moderatorem, na przykład wodą lub grafitem.

Inną metodą zwiększania prawdopodobieństwa wychwycenia neutronu jest otoczenie materiału rozszczepialnego reflektorem neutronów, rozpraszającym neutrony wstecz, aby zwiększyć liczbę zderzeń w rozszczepialnym uranie. Powszechnie stosowanymi materiałami reflektorów są beryl i grafit.

Ponadto niektóre neutrony napotkają jądra je absorbujące. Efektywnymi absorbentami neutronów termicznych są bor, kadm i gadolin. Szybkie neutrony są silnie pochłaniane przez większość izotopów naturalnego uranu, ²³⁸U, produkując rozszczepialny ²³⁹Pu i ²⁴⁰Pu. Dlatego musimy znać chemiczny i izotopowy skład materiału, w którym spodziewamy się zaobserwować reakcję łańcuchową. Więcej dowiemy się o tym w następnym wykładzie poświęconym reaktorom jądrowym.