Fisyon bombası Uranyum ve Plutonyum gibi elementlerin nötron kullanarak parçalanması esasına dayanan bir nükleer patlamadır. Uranyum veya Plutonyumun her izotopu bu tür bir parçalanmaya olanak vermez. Elementin çekirdeğine gönderilen nötron bazı izotoplar tarafından absorblanmasını müteakip parçalanmaya uğrarken bazı izotopları nötronu bünyesinde tutarak izotopun bir başka izotopa dönüşmesine yol açar. Parçalanabilen izotop, parçalanmaya uğradığında (nükleer reaksiyonla) iki daha küçük izotop ve 2-3 nötron açığa çıkarır. Reaksiyon ürünü izotopların çekirdekleri ve elektron kabuklarındaki elektron sayıları kararlı atomlarınkine uymamaktadır. Bu nedenle bunlara kararsız izotoplar adı verilir ve kararlı hale gelmeye çalışırlar. Kararlı hale gelmeye çalışırlarken de enerji salmaya devam ederler. Bu enerjiye radyasyon adı verilir.

Uranyum veya Plutonyum’un parçalanabilir izotoplarının bir nötronu yakalaması ve parçalanması çok çabuk meydana gelir. Süre olarak piko-saniye (1*10E-12 sn) mertebesindedir. Atom parçalandığında açığa ısı ve gama radyasyonu formunda muazzam bir enerji salar. Bunun nedeni de bir parçalanma reaksiyonu ile oluşan iki küçük izotopun kütleleri toplamı Uranyum veya Plutonyum’unkinden küçük olmasıdır. Bu kütle farkı E=m c^2 formülü ile enerjiye dönüştürülür. Bir kilo zengin uranyum nükleer bomba olarak kullanılacak olursa, açığa çıkaracağı ısı enerjisi 16 milyon litre benzinin vereceği ısı enerjisine denktir. Bir kilo uranyumun yaklaşık 3 golf topuna karşılık gelen bir hacim işgal ettiği düşünülürse, buna karşın benzin 25 m x 25 m x 25 m lik bir prizma hacmine sığdırılabilir. Bu da size çok az bir miktar uranyumun patlama ile yarattığı enerji hakkında daha iyi bir fikir verir. Nükleer patlayıcı olarak kullanılan Uranyum doğada bulunduğu şekliyle kullanılamaz. Patlayıcı izotopuyla çok yüksek oranlarda zenginleştirilirler.


Her tasarım için nükleer fizik gerektiren hesaplar sonucunda patlayıcı miktar (ki buna kritik kütle adı verilir) bulunur. Bu hesaplar o kadar kolay değildir; bir bilgisayar yardımıyla ve çeşitli deneysel parametrelerden elde edilen veriler kullanılır. Bu kütle bir araya getirilirse, kendiliğinden patlama gerçekleşebilir. Bu nedenle, kritik kütle birkaç parça halinde ve bir birinden ayrı yerlerde tutulurlar. Bunların ayrı yerlerde tutulması bomba tasarımında bazı problemleri beraberinde getirir, şöyle ki, patlamanın istendiği anda parçalar bir araya toplanmalı, bir nötron parçalanma (zincir) reaksiyonunu zamanında başlatmalıdır.

Kritik olmayan kütleleri bir araya getirmek için iki teknik kullanılır: (1)Tabanca Ateşlemeli (2) İçe Doğru Patlama ile Ateşleme. Nükleer reaksiyonları başlatmak için nötrona ihtiyaç vardır. Bu nedenle nötron üreteci (jenaratörü) gerekir.

Uranyum veya Plutonyumdan oluşan kritik kütleden küçük bir parça (kurşun olarak adlandırılır) ayrılır ve bu küçük parça konvansiyonel bir patlayıcı ile büyük kütleye (fıçı olarak adlandırılır) doğru ateşlenir. İki kütle bir araya geldiğinde kritik kütle oluşmuş olur. Kritik kütlenin etrafı nötron jeneratörü ile kaplıdır. Bombanın hangi irtifada patlatılacağı bir barometrik-basınç sensörü yardımıyla belirlenir ve bu irtifaya ulaştığına, aşağıdaki işlemler dizisi gerçekleşir:


Konvansiyonel ateşleme ile kurşun fıçıya isabet ettirilir
Kurşun küresel olarak hazırlanmış Uranyum veya Plutonyum ile nötron jeneratörüne çarpar
Fisyon reaksiyonu başlar
Nükleer patlama gerçekleşir.
Hiroşima’ya atılan atom bomba (Little Boy adı verilmiştir) bu tür bir bomba idi ve 14.5 kiloton yani 14,500 ton TNT’e eşdeğer bir patlama gücü vardı. Patlama olmadan önce yakıtın sadece % 1.5 parçalanmaya uğramıştı.

Uranyum ve Plutonyum bir küre haline getirilir ve birkaç parçaya ayrılır; bunların bir birine değmemesi için arada yaylı bir mekanizma vardır. Küre, etrafı nötron yansıtıcı bir malzeme ile kaplanır. Bu malzeme de TNT gibi bir patlayıcı ile örtülür. Patlatma işlemi bomba yere değmeden önce (hava) gerçekleştirilir ve hangi irtifada patlama gerçekleşmesi isteniyorsa bunu belirleyen bir barometrik-basın sensörü kullanılır. Bomba arzu edilen irtifaya ulaştığında aşağıdaki işlemler dizisi gerçekleşir.

TNT ve/veya konvansiyonel patlayıcı ateşlenerek bir şok dalgası (basıç) yaratılır
Şok dalgası içteki melzemeleri sıkıştırmasıyla kritik kütle bir araya gelir
Fisyon reaksiyonu başlar
Nükleer patlama gerçekleşir.
Nagazaki’ye atlılan bomba (Fat Man olarak anılır) bu tür bir bomba idi ve 23-kiloton patlayıcı eşdeğerine ve % 17 verimiliğe sahipti. Daha sonra bu tasarımda yapılan değişikliklerle sırasıyla aşağıdaki olaylar meydana gelir:

Patlayıcılar ateşlenerek bir şok dalgası oluşturulır
Şok dalgası Plutonyum parçalarını küresel bir şekilde bir araya getirir
Plutonyum parçaları merkezde yer alan Be/Po malzemesine çarpar
Fisyon reaksiyonu başlar
Nükleer patlama meydana gelir