裂变燃料是能发生裂变反应并释放出巨大核能的物质，主要指易被低能中子作用而裂变的核素铀-235、钚-239和铀-233，后二者是分别由天然的铀-238和钍-232在核反应堆中用中子照射并经两次β衰变而生成的。天然铀广泛分布在岩石和海水中，但含量很低，铀矿石中含铀则可达1％～4％，但铀矿不多。天然铀含有三个同位素，铀-238占99.28％，铀-235占0.714％，铀-234占0.00548％，其中铀-235在低能中子作用下主要发生裂变反应，同时放出2～3个中子——裂变中子，和γ射线，而产生铀-236俘获反应的比例不到15％。入射中子的能量越低，引发铀-235核裂变的机率越大，即铀-235的裂变截面越大。铀-238在低能中子作用下只发生俘获反应而生成铀-239，只有快中子才能使它发生裂变。
一个铀-235原子核发生裂变时平均放出25个中子（钚-239可达3个中子），一部分中子飞出核燃料，一部分消耗于该核燃料中的（包括杂质的）各种俘获反应，还有一部分可引发另外的铀-235核裂变，如果最后的这一部分达到一个中子，则此核燃料中就可持续进行链式裂变反应，不断地释放出核能，此时称倍增系数（K）等于1。当K＜1时裂变反应次数将逐渐减少而最终停止，当K大于1时裂变反应次数将增加，单位时间内释放的能量也越来越多。显然，为了使一个核燃料系统中的K值能够达到1或大于1，核燃料必须有很高的纯度和一定的质量。在一定条件下能够实现自持的链式裂变反应所需的核裂变燃料的最小质量称为临界质量。利用链式裂变反应原理释放裂变能的核裂变反应堆和原子弹，其中的裂变燃料的总装量均大于（或能改变条件使大于）临界质量。
在核裂变反应堆中要求平稳地、持续地释放能量，因而必须用吸收中子能力很强的物质做成的控制棒来控制核裂变燃料系统中的链式裂变反应过程，使该系统的K=1。在原子弹中，平时要确保核裂变燃料处于次临界状态（即K≤1），不释放能量，而在需要爆炸时设法使裂变燃料迅速变为深超临界状态，并适时提供中子进行“点火”，通过快速增殖的链式裂变反应（过程约1微秒，增殖几十代），达到瞬间释放巨大的能量。
