裂變燃料是能發生裂變反應並釋放出巨大核能的物質，主要指易被低能中子作用而裂變的核素鈾-235、鈈-239和鈾-233，後二者是分別由天然的鈾-238和釷-232在核反應堆中用中子照射並經兩次β衰變而生成的。天然鈾廣泛分布在岩石和海水中，但含量很低，鈾礦石中含鈾則可達1％～4％，但鈾礦不多。天然鈾含有三個同位素，鈾-238占99.28％，鈾-235占0.714％，鈾-234占0.00548％，其中鈾-235在低能中子作用下主要發生裂變反應，同時放出2～3個中子——裂變中子，和γ射線，而產生鈾-236俘獲反應的比例不到15％。入射中子的能量越低，引發鈾-235核裂變的機率越大，即鈾-235的裂變截麵越大。鈾-238在低能中子作用下隻發生俘獲反應而生成鈾-239，隻有快中子才能使它發生裂變。
一個鈾-235原子核發生裂變時平均放出25個中子（鈈-239可達3個中子），一部分中子飛出核燃料，一部分消耗於該核燃料中的（包括雜質的）各種俘獲反應，還有一部分可引發另外的鈾-235核裂變，如果最後的這一部分達到一個中子，則此核燃料中就可持續進行鏈式裂變反應，不斷地釋放出核能，此時稱倍增係數（K）等於1。當K＜1時裂變反應次數將逐漸減少而最終停止，當K大於1時裂變反應次數將增加，單位時間內釋放的能量也越來越多。顯然，為了使一個核燃料係統中的K值能夠達到1或大於1，核燃料必須有很高的純度和一定的質量。在一定條件下能夠實現自持的鏈式裂變反應所需的核裂變燃料的最小質量稱為臨界質量。利用鏈式裂變反應原理釋放裂變能的核裂變反應堆和原子彈，其中的裂變燃料的總裝量均大於（或能改變條件使大於）臨界質量。
在核裂變反應堆中要求平穩地、持續地釋放能量，因而必須用吸收中子能力很強的物質做成的控製棒來控製核裂變燃料係統中的鏈式裂變反應過程，使該係統的K=1。在原子彈中，平時要確保核裂變燃料處於次臨界狀態（即K≤1），不釋放能量，而在需要爆炸時設法使裂變燃料迅速變為深超臨界狀態，並適時提供中子進行“點火”，通過快速增殖的鏈式裂變反應（過程約1微秒，增殖幾十代），達到瞬間釋放巨大的能量。