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原子力工学において、核分裂性物質とは、低エネルギーの中性子が衝突すると核分裂を起こす物質のことである。 [ 1 ]自己持続的な熱連鎖反応は、核分裂性物質によってのみ達成できる。システムにおける主要な中性子エネルギーは、低速中性子（すなわち熱システム）または高速中性子のいずれかによって特徴づけられる。核分裂性物質は、熱中性子炉、高速中性子炉、および核爆発物の燃料として使用できる。
核分裂性物質という用語は、核分裂性物質とは異なります。高エネルギーまたは低エネルギーの中性子を捕獲した後、（低い確率であっても）核分裂を起こすことができる核種は、核分裂性物質と呼ばれます。 [ 2 ]低エネルギーの熱中性子を捕獲した後、高い確率で核分裂を起こすことができる核分裂性核種は、核分裂性物質と呼ばれます。[ 3 ]核分裂性物質には、（ウラン238 のように）高エネルギーの中性子によってのみ核分裂が誘発される物質が含まれます。その結果、核分裂性物質（ウラン235など）は、核分裂性物質のサブセットとなります。
ウラン235は低エネルギーの熱中性子で核分裂を起こす。これは、中性子の吸収によって生じる結合エネルギーが核分裂に必要な閾値よりも大きいためである。したがって、ウラン235は核分裂性である。対照的に、ウラン238が熱中性子を吸収して放出する結合エネルギーは臨界エネルギーよりも小さいため、核分裂が起こるためには中性子が追加のエネルギーを持っていなければならない。したがって、ウラン238は核分裂性はあるが核分裂性ではない。[ 4 ] [ 5 ]
別の定義では、核分裂性核種とは、核分裂を起こすことができ（すなわち、 核分裂性があり）、かつ適切な条件下で核連鎖反応を維持できる中性子を核分裂によって生成する核種と定義される。この定義によれば、核分裂を起こすことはできるが核分裂性ではない核種は、核分裂を起こすことはできるものの、核連鎖反応を維持するのに十分なエネルギーまたは数の中性子を生成しない核種のみである。したがって、すべての核分裂性同位体は核分裂性であるが、すべての核分裂性同位体が核分裂性であるとは限らない。軍備管理の文脈、特に核分裂性物質生産禁止条約の提案においては、「核分裂性」という用語は、核兵器の核分裂一次反応に使用できる物質を説明するためによく用いられる。[ 6 ]これらは爆発的な高速中性子核分裂連鎖反応 を維持する物質である。
上記のすべての定義において、ウラン238（238ウラン238は核分裂性はあるが、核分裂性ではない。ウラン238の核分裂によって生成される中性子はウランは元のニュートロンよりもエネルギーが低く（非弾性散乱のように振る舞う）、通常は 1 MeV未満（つまり、約 14,000 km/sの速度）であり、 238の核分裂を引き起こす核分裂閾値である。 U、したがって238の核分裂ウランは核連鎖反応を持続させない。
238の高速核分裂熱核兵器の二次段階におけるウランは、核融合による高エネルギー中性子の生成により、そのような兵器の威力と放射性降下物に大きく寄与する。ウラン改ざんは純粋な核分裂兵器でも明らかになっている。[ 7 ] 238の高速核分裂ウランは、一部の高速中性子炉の出力にも大きく貢献している。
一般的に、中性子数が奇数のほとんどのアクチニド同位体は核分裂性です。ほとんどの核燃料は、原子質量数（A = Z + N =核子の総数）が奇数で、原子番号Zが偶数です。これは、中性子数が奇数であることを意味します。中性子数が奇数の同位体は、中性子と陽子の両方の数が偶数になるペアリング効果により、余分な中性子を吸収することで 1 ～ 2 MeV のエネルギーを得ます。このエネルギーは、より遅い中性子による核分裂に必要な追加エネルギーを供給するのに十分であり、核分裂性同位体を核分裂性にするために重要です。
より一般的に言えば、陽子の数と中性子の数が偶数で、原子番号と質量数の関係を示す原子核物理学のよく知られた曲線付近に位置する核種は、他の核種よりも安定しています。したがって、核分裂を起こしにくいのです。これらの核種は、中性子を「無視」してそのまま通過させるか、あるいは中性子を吸収しても、核を核分裂させるほど変形させるのに十分なエネルギーを得ない傾向があります。このような「偶偶」同位体は、自発核分裂を起こしにくく、アルファ崩壊やベータ崩壊の部分半減期も比較的長くなっています。これらの同位体の例としては、ウラン238とトリウム232が挙げられます。一方、最も軽い核種を除けば、陽子の数と中性子の数が奇数である核種（奇数 Z、奇数 N）は通常、寿命が短い（注目すべき例外は半減期が15万4000年のネプツニウム236）のは、ベータ粒子放出によって陽子の数と中性子の数が偶数である同重体（偶数 Z、偶数N ）に容易に崩壊し、より安定になるためである。この現象の物理的根拠も核結合エネルギーのペアリング効果によるものだが、今回は陽子-陽子ペアリングと中性子-中性子ペアリングの両方によるものである。このような奇数-奇数の重同位体の半減期が比較的短いということは、それらが大量に存在せず、放射能が非常に高いことを意味する。
イガル・ロネンが提唱した核分裂規則によれば、Zが90から100の間の重元素の場合、いくつかの例外を除いて、 2 × Z − N ∈ {41, 43, 45 } (ここでNは中性子の数、Zは陽子の数) の場合に限り、同位体は核分裂性である。[ 13 ] [ 14 ]この規則は、14の核種を除くすべての核種に当てはまる。7つは基準を満たすが核分裂性ではなく、7つは核分裂性であるが基準を満たさない。[注1 ]
核分裂連鎖反応の有用な燃料となるためには、その物質は以下の条件を満たさなければならない。
核燃料に含まれる核分裂性核種には以下が含まれる。
核分裂性核種は、中性子を吸収した際に必ず核分裂を起こすわけではありません。その確率は、核種の種類と中性子のエネルギーによって異なります。低エネルギーおよび中エネルギーの中性子の場合、核分裂を起こす中性子捕獲断面積（σ F ）、ガンマ線を放出する中性子捕獲断面積（σ γ）、および核分裂を起こさない割合は、右の表に示されています。
核燃料中の増殖性核種には以下が含まれる。