裂变链式反应指的是以
中子为媒介而维持的自持的
裂变反应。当一个中子引铀核裂变时，同时放出2个～3个中子，如果这些中子再引起其他
铀核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做
链式反应。根据一次反应所直接引起的反应次数平均小于、等于或大于1，链式反应可分为次临界的、临界的或超临界的三种。
在物理学中，裂变链式反应指一种反应过程的产物可以引起另一种反应，因而使这种反应一经开始就能自动持续进行的反应过程。例如，在一定条件下进行的原子核裂变过程就是一种链式反应。铀235的原子核在吸收一个中子后发生裂变，一分为二。铀核裂变放出2～3个中子，这些中子又会打中旁边的两个核，并击破它们。这又会产生出4个新的中子，粉碎另外4个核。这样。由1个铀核裂变引起2、4、8、16……个铀核裂变，很快把整块铀卷入，释放出无比巨大的能量。链式反应可以不断供给核分裂所需要的大量中子，是反应堆运转的必要条件。
其中第②种过程中子被238U吸收后，将发生一系列β衰变，最终成为239Pu。为实现链式反应，就必须减少中子的后两种变化的可能。实验表明：任何能量的中子都可以使235U裂变，热中子可以使其有更大的裂变截面。
只有能量超过1.1兆电子伏的高能中子才能使235U裂变，且裂变截面不大。链式反应中，大部分裂变中子都通过非弹性散射，降低能量，不能引起238U裂变，而被其吸收。由于天然铀中，238U占99.27%，235U占0.71%，因此要使链式反应持续进行，必须采取办法，增加天然铀中U的浓度，使其成为浓缩铀或浓集铀。另外，为避免中子逃出裂变物质，还必须使浓缩铀具有足够大的体积，这个体积称为临界体积。
链式反应如果不依靠外界的作用能持续下去，则称为自持链式反应。具体条件是，当一个可裂变核吸收一个中子产生裂变后，新产生的裂变中子，平均至少要有一个中子能再引起另一个可裂变核裂变。但必须注意到，在核裂变过程中产生的中子并非完全都能再引起裂变反应。中子在运动过程中一方面可能发生其他一些非裂变的核反应，另一方面有一部分不可避免地会从反应堆中泄漏损失掉。这是因为反应堆不仅包含着核燃料、冷却剂、慢化剂(
热中子反应堆)和结构材料等，而且本身大小又是有限的。
对于热中子反应堆，引起链式反应的主要是热中子，但裂变释放的中子都是快中子。因此，裂变中子在反应堆内一定要经过中子慢化过程，使原来能量较高的裂变中子经与慢化剂原子核的散射作用，而逐渐慢化到热能(见中子慢化)。即使变成了热中子，但在它被燃料吸收以前，热中子在反应堆内还经历由高密度向低密度的扩散过程(见中子扩散)。
中子在慢化过程与扩散过程中都存在着泄漏损失。由此可见，链式反应是在裂变中子经历一系列过程后得以自持下去的。如果反应堆内单位时间内裂变产生的中子数等于或多于单位时间内裂变吸收(包括裂变和辐射俘获)和泄漏损失的中子数，则反应堆内链式反应才可能自持下去(见
反应堆临界)。反应堆是一种可控的自持链式反应装置，而原子弹则是一种不可控的自持链式反应装置。