원자번호 92번인 우라늄은 자연에 존재하는 가장 무거운 원소이다. 천연우라늄의 99.3%는 우라늄238로서 92개의 양성자와 146개의 중성자를 갖고 있다. 나머지 0.7% 정도는 동위원소인 우라늄235가 차지하고 있다. 우라늄235는 우라늄238보다 중성자가 3개 적다. 핵무기의 원료는 우라늄235이다. 

   

우라늄235에 중성자를 때리면 우라늄 원자핵이 그보다 가벼운 크립톤과 바륨으로 쪼개지며 중성자와 감마선 등을 방출한다. 이처럼 무거운 원자핵이 가벼운 원자핵들로 쪼개지는 과정을 핵분열이라 한다. 핵분열 과정에서 반응 전후 원소들의 질량차이만큼이 에너지로 방출된다. 그 양은 아인슈타인의 유명한 E=mc^2에 따라 정해진다. 여기서 E는 에너지, m은 질량, c는 광속이다. 질량차이가 작더라도 광속이 워낙 큰 값(300,000km/s)이라 질량이 모두 에너지로 전환되면 그 양이 막대하다. 우라늄235이 핵분열 과정에서 발생하는 질량결손은 우라늄235 원자핵 질량의 약 0.1% 정도이며 이는 양성자 질량의 약 20%에 해당한다. 전자볼트(eV)의 단위로는 약 200MeV이다. 여기서 M은 메가, 즉 100만을 나타내는 접두사이다. 

그러나 원자핵 하나가 쪼개질 때 나오는 에너지(200MeV)는 거시적인 관점에서는 큰 에너지가 아니다. 만약 하나의 원자핵이 아니라 수많은 원자핵이 매우 짧은 시간 동안 쪼개질 수 있다면 그때는 정말 막대한 에너지가 한꺼번에 쏟아져 나와 ‘폭탄’이 될 수 있을 것이다. 실제로 이런 일이 우라늄235에서는 일어난다. 그 주인공은 바로 중성자이다. 

우라늄235는 핵이 분열할 때 2~3개의 중성자를 방출한다. 이때 중성자의 에너지는 약 2MeV 정도인데 이렇게 방출되는 중성자가 근처에 있는 다른 우라늄235 원자핵을 때려 다시 핵분열을 일으킨다. 이것이 연쇄반응이다. 연쇄반응이 지속적으로 일어나려면 하나의 원자핵이 쪼개질 때 나오는 중성자 중 몇 개가 다시 근처의 원자핵을 분열시키는지가 중요하다. 이 값을 보통 k로 표시한다. ...