核裂变是一个原子核分裂成两个或更多较小原子核的过程。重原子核的裂变通常会释放大量能量，同时放出中子和伽马射线。裂变既可以自发发生，也可以由入射粒子诱发，其中最常见的入射粒子是中子。裂变释放的中子可能引发进一步的裂变，这使核裂变成为核反应堆的物理基础。与将轻原子核结合起来的核聚变不同，核裂变是将较重的原子核分裂。(energy.gov)
物理机制
原子核的液滴模型为理解核裂变提供了一种有用的概念性描述。与强相互作用有关的短程核吸引力将原子核的组成粒子束缚在一起，而质子之间的电斥力则促使它们分离。当重原子核受到足够强的激发时，它会发生形变、拉长，形成逐渐变细的颈部，最终分裂成碎片。随后，电斥力使碎片加速分离。这一描述解释了裂变的大体机制，但要作出精确预测，还需要考虑原子核的微观结构。(ncsp.llnl.gov)
在中子诱发的裂变中，原子核吸收中子后，通常会形成一个处于激发态的复合核，随后发生分裂。例如，铀-235可以吸收一个中子，形成激发态的铀-236。吸收中子并不一定导致裂变：与裂变竞争的过程包括不发生分裂而仅发射辐射。裂变截面表征发生这一反应的可能性，其大小取决于靶核和入射粒子的能量。自发裂变无需入射粒子；穿过裂变势垒的量子隧穿有助于解释其发生机制。(ncsp.llnl.gov)
能量与产物
裂变释放能量，是因为生成的碎片通常比原来的重原子核具有更高的平均每核子结合能。更高的核结合能对应着总静止质量的减少。根据质能等价，这一质量差转化为释放的能量。计入相关反应及衰变的贡献后，以铀为燃料的反应堆每次裂变可获得约2亿电子伏特的热量。其中大部分能量最初表现为裂变碎片的动能。(ncsp.llnl.gov)
裂变并不会产生一对固定的子核。不同的碎片组合具有不同的产额，而且分裂往往是不对称的。一个常用来说明裂变的反应式是：
这只是一个可能的反应通道，并不代表每一次铀-235裂变。该反应式满足总核电荷数和核子数守恒。(ncsp.llnl.gov)
与质量相近的稳定原子核相比，许多裂变碎片同位素含有过多的中子。它们会发生贝塔衰变及其他转变，产生额外的辐射。由于它们的半衰期差异很大，放射性持续的时间也各不相同。即使反应堆的主要链式反应已经停止，这些衰变仍会继续产生热量，因此衰变热与持续裂变产生的功率有所区别。(ncsp.llnl.gov)
可裂变材料、易裂变材料与可增殖材料
“可裂变”指材料能够发生裂变。“易裂变”的含义更窄，指材料能够通过吸收低能的热中子而发生裂变。铀-235、铀-233和钚-239是重要的易裂变同位素。铀-238能够在能量足够高的中子作用下发生裂变，但不归类为易裂变材料。(nrc.gov)
可增殖同位素可以先吸收中子，再经过核衰变，转变为易裂变同位素。铀-238可通过这种方式生成钚-239，而钍-232可生成铀-233。这些转变将燃料消耗与新易裂变材料的生成联系起来。天然铀约含0.7%的铀-235和99.3%的铀-238，另含少量铀-234；浓缩处理会提高铀-235的比例。(nrc.gov)
链式反应与反应堆控制
当裂变释放的中子引发后续裂变时，就会发生核链式反应。另有一些中子会逸出，或被吸收而未引发新的裂变。有效增殖因子 表示相邻两代中子之间的数量关系。其值小于1时，若无外部中子源，链式反应会逐渐衰减；等于1时，反应能够自持；大于1时，中子数量趋于增加。因此，“临界”描述的是一种中子平衡状态，并不一定意味着危险状况。(ncsp.llnl.gov)
大多数裂变中子会立即放出。另有一小部分在稍后通过先驱核的衰变释放。这些缓发中子延长了反应堆控制所涉及的响应时间，使功率能够以可控的方式变化，而非仅按瞬发中子的时间尺度变化。(ncsp.llnl.gov)
核反应堆由燃料、冷却系统、监测设备和中子控制机构等组成。热中子反应堆使用水或石墨等慢化剂来减慢中子；快中子反应堆则不需要这种慢化过程。能够吸收中子的控制棒用于调节反应。在核能发电中，热量被传递到能量转换系统，通常利用汽轮机和发电机来产生电。停堆后仍需冷却，因为放射性衰变会继续释放热量。(nrc.gov)
发现与发展
1938年12月，奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼在中子轰击铀的产物中鉴定出了钡。莉泽·迈特纳和奥托·罗伯特·弗里施将这一结果解释为铀核发生了分裂，并阐明了其释放大量能量的原因。他们的解释于1939年发表。哈恩因发现重原子核裂变而获得1944年诺贝尔化学奖。(osti.gov)
1942年12月2日，由恩里科·费米领导的团队在芝加哥一号堆中实现了首次受控、自持的核链式反应。此后，核裂变既推动了反应堆的发展，也支撑了曼哈顿计划的核武器研制工作。除发电外，裂变过程及其产物还用于科学研究、同位素生产和核材料分析。(energy.gov)