1896 年，物理学家亨利·贝克勒尔偶然地把铀盐放在底片上，结果照片上呈现未知原因的雾状现象，由此而发现天然放射性。为了进一步深入研究，皮埃尔和玛丽·居里分析了沥青铀矿，并从中分离出两种强放射性元素钋和镭。很快英国科学家卢瑟福证实了放射性现象与原子核不稳定性有关。1934年，意大利科学家费米用中子轰击铀，并报道说产生了一些新物质。
1938年，德国科学家奥托·哈恩发现了核裂变现象。当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子可以分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，并产生两个或3个新的中子。这就是举世闻名的核裂变反应。在一定的条件下，新产生的中子会继续引起更多的铀原子核裂变，这样“一代代”传下去，像链条一样环环相扣，科学家将其命名为链式裂变反应。这一定的条件包括：第一，铀要达到一定的质量，即临界质量；第二，中子的能量要适当，一般是能量为0．025电子伏的“热中子”。
链式裂变反应释放的核能叫做核裂变能。如果加以人为的控制，在铀的周围放一些强烈吸收中子的“中子毒物”(主要是硼和镉)，使一部分中子还没有被铀核吸收引起裂变时，就先被“中子毒物”吸收，这样就可以使核能缓慢地释放出来。实现这种过程的设备叫做核反应堆。
由于战争的爆发，核研究被提上了议事日程。在北美，费米找了一个芝加哥大学废弃的露天运动场，用石墨块和铀棒组成的材料建立了一个反应堆，它于1942年 12月2日达到临界，费米成功地演示了链式反应可以持续数分钟。此后，美国运用链式反应原理，设计并制造了几座大型反应堆。