Цепная ядерная реакция — это процесс, при котором распад атомных ядер приводит к выделению нейтронов, способных вызывать дальнейшие распады ядер. Этот механизм лежит в основе как работы атомных электростанций, так и ядерного оружия. Наиболее распространённым (и единственным природным) топливом для таких реакций является изотоп урана-235, обладающий способностью к делению под действием медленных нейтронов. Также для цепной реакции может использоваться изотоп плутоний-239, который нарабатывается в реакторах на быстрых нейтронах из урана-238.
Спонтанный распад атомных ядер урана-235 или плутония-239 сопровождается выделением энергии, выбросом нескольких (обычно двух-трёх) нейтронов и образованием продуктов деления. Если выброшенные нейтроны сталкиваются с другими ядрами этих изотопов и поглощаются ими, вызывая новую реакцию деления. Этот процесс может повторяться многократно, лавинообразно увеличивая число делящихся атомов. Это и есть цепная реакция.
Температура не влияет на протекание цепной ядерной реакции. Процесс деления ядер и взаимодействия нейтронов происходит независимо от температуры окружающей среды. Цепная реакция может начаться даже при комнатной температуре, если соблюдены необходимые условия: достаточная концентрация делящегося вещества, отсутствие поглощающих нейтроны примесей и присутствие замедлителя нейтронов (быстрые нейтроны слабо реагируют с ядрами урана-235 и плутения-239).
Однако само протекание цепной реакции может приводить к быстрому росту температуры, поскольку энергия продуктов деления переходит в тепло. Неуправляемая цепная реакция приводит к ядерному взрыву. В ядерной энергетике скорость протекания цепной реакции контролируется так, чтобы выделяемая тепловая энергия нагревала теплоноситель до оптимальной температуры. Затем энергия теплоносителя используется для генерации электричества.
В большинстве современных реакторов рабочая температура теплоносителя составляет 300–350 °C. Перспективные высокотемпературные реакторы, такие как реакторы с газовым охлаждением, способны достигать температуры 600–700 °C, что позволяет повысить КПД преобразования тепла в электроэнергию. При этом внутри таблеток с ядерным топливом, где протекает цепная реакция, температура может достигать 1000–1200 °C.