Branduolinė reakcija – tai procesas, kai atomų branduoliai sąveikauja su kitais branduoliais ar dalelėmis, sukurdami naujus branduolius. Šis procesas gali būti inicijuojamas apšaudant branduolius dalelėmis, pavyzdžiui, neutronais ar protonais. Branduolinių reakcijų metu galioja tvermės dėsniai: energijos, krūvio ir masės skaičiaus. Branduolinės reakcijos energija – tai energijos kiekis, išsiskiriantis arba absorbuojamas reakcijos metu. Neutronų sukeltos reakcijos skiriasi nuo elektringųjų dalelių sukeltų reakcijų, nes neutronai, neturėdami krūvio, lengviau prasiskverbia į branduolius. Jei reakcijos metu išsiskiria energija, produktų masė yra mažesnė nei pradinių dalelių.

Kai kurių sunkiųjų branduolių, pavyzdžiui, urano, dalijimosi reakcijos išskiria didelį energijos kiekį. 1 g urano branduolių dalijimasis prilygsta 2,5 tonos naftos arba 3 tonos anglių sudeginimui. 1938 m. Otas Hanas ir Fricas Štrasmanas atrado branduolių dalijimąsi, o 1939 m. Otas Frišas ir Lizė Meitner paaiškino urano branduolio dalijimosi mechanizmą, remdamiesi lašeliniu branduolio modeliu. Pagal šį modelį, branduolys, sugėręs neutroną, deformuojasi ir skyla į skeveldras, išspinduliuodamas 2-3 laisvuosius neutronus. Šie neutronai, palankiomis sąlygomis, gali sukelti kitų branduolių dalijimąsi, sukurdami grandininę reakciją. Grandininė reakcija – tai savaime besiplečianti branduolinė reakcija, palaikoma savo pačios produktų.

Neutronų daugėjimo koeficientas (\(k\)) grandininėje reakcijoje apibūdinamas formule: \(k = N_i / N_0\), kur \(N_i\) yra naujos kartos neutronų skaičius, o \(N_0\) - ankstesnės kartos neutronų skaičius. Šį koeficientą lemia keletas veiksnių: neutronų netekimas dėl išėjimo į aplinką; neutronų sugertis konstrukcinėse medžiagose; \({}^{235}\text{U}\) branduolių dalijimasis lėtaisiais neutronais arba \({}^{238}\text{U}\) ir \({}^{235}\text{U}\) branduolių dalijimasis greitaisiais neutronais; neutronų sugertis \({}^{238}\text{U}\) ir \({}^{235}\text{U}\) branduoliuose be dalijimosi.

Gamtinis uranas daugiausia sudarytas iš dviejų izotopų: \(^{238}U\) (99,3 %) ir \(^{235}U\) (0,7 %). \(^{238}U\) branduolių dalijimuisi reikia didesnės neutronų energijos, o \(^{235}U\) izotopas yra lengviau dalijamas. Kritinė masė – tai mažiausia urano masė, kuriai esant dar gali vykti grandininė reakcija. Rutulio formos gryno \(^{235}U\) gabalo kritinė masė yra apie 50 kg. Neutronų daugėjimo koeficientas (\(k\)) apibūdina neutronų skaičiaus kitimą grandininėje reakcijoje: \(k = N_i / N_0\) (\(N_i\) – „jaunosios“ kartos neutronų skaičius, \(N_0\) – „senosios“ kartos neutronų skaičius).