Samoodržanje fisije omogućuju u procesu fisije oslobođeni neutroni, prosječno oko 2,5 po fisiji jedne jezgre. Samoodržanje fisije može se ostvariti ako bar jedan od tih neutrona prouzroči novu fisiju u okolnim jezgrama. Samoodržanje fisijske reakcije tako da fisijski neutroni uzrokuju nove fisije, naziva se lančanom reakcijom. Za odvijanje lančane reakcije odlučne su dvije veličine: faktor multiplikacije k i trajanje fisijske generacije τ u lančanoj reakciji. Trajanjem jedne fisijske generacije naziva se prosječno vrijeme između dviju uzastopnih fisija (da bi fisijski neutroni bili emitirani iz neke jezgre i dospjeli do drugih fisibilnih jezgara potrebno je neko vrijeme). Faktor multiplikacije k omjer je između broja fisija jedne fisijske generacije i broja fisija prethodne generacije. Lančana je reakcija divergentna ako je k > 1, konvergentna ako je k < 1. Ako je k = 1, lančana reakcija održava se trajno s istim brojem fisija u jediničnom volumenu.

Prosječna je energija fisijskih neutrona relativno visoka, oko 2 MeV, pa je malena vjerojatnost da oni prouzroče iduće fisije jezgri urana. Sudaranjem s jezgrama urana njihova se energija smanjuje, a sposobnost za fisiju povećava. U tom procesu fisijski se neutroni mogu izgubiti za fisiju ili nefisijskom apsorpcijom u ²³⁸U (zbog relativno velike apsorpcije neutrona energije između 5 eV i 300 eV) ili bijegom u okoliš iz prostora u kome se nalazi uran.

Nefisijska apsorpcija može se smanjiti tako da se masi urana dodaju laki elementi, pa neutroni u sudaru s njihovim jezgrama malog masenog broja brže gube energiju i brže prolaze kroz energijsko područje rezonancije za ²³⁸U. Takve jezgre nazivaju se moderatorskim jezgrama, a tvari sa sposobnošću da usporavaju neutrone nazivaju se moderatorima. Dodatni način da se smanji gubitak neutrona nefisijskom apsorpcijom u ²³⁸U jest da se u gorivu smanji udio ²³⁸U, a poveća udio ²³⁵U na više od 0,7 % (koliko ga ima u prirodnom uranu). Nadalje, gubitak neutrona bijegom u okolni prostor može se smanjiti postavljanjem tzv. reflektora oko mase goriva. Od jezgara tih materijala dio se neutrona reflektira i vraća u uran. Smanjenje gubitka neutrona bijegom postiže se i povećanjem mase urana: time se smanjuje odnos površine kroz koju neutroni bježe prema obujmu odnosno masi u kojoj nastaju fisijom.

Za odabrani moderator i reflektor te određeni sastav urana i njegov geometrijski raspored, postoji granična masa urana, tj. najmanja masa u kojoj se još može ostvariti faktor multiplikacije k = 1. S manjom masom urana ne može se održavati lančana reakcija jer je gubitak neutrona bijegom prevelik. Najmanju masu potrebnu za održavanje lančane reakcije uz zadane uvjete nazivamo kritičnom masom. U specijalnim uvjetima, kritične mase izdvojenih nuklida, ²³⁹Pu ili ²³⁵U, mogu biti i manje od jednog kilograma, a u reaktorima one iznose i više desetaka tona. Za ²³⁵U metal i sfernu raspodjelu goriva te berilijski reflektor kritična je masa približno 16 kg. U istim uvjetima kritična masa ²³⁹Pu jest približno 4,5 kg.

Natkritični uvjeti za nuklernu eksploziju mogu se postignuti npr. naglim spajanjem dviju ili više potkritičnih masa s pomoću konvencionalnih eksplozija. Drugi je način smanjenje površine bijega neutrona, a da se ne smanji masa urana. To se postiže povećanjem gustoće urana implozijom, također s pomoću konvencionalnih eksploziva.

Uređaje u kojima se ostvaruju uvjeti za održavanje kontrolirane lančane reakcije zovemo nuklearnim reaktorima. Reaktori moraju sadržavati količinu urana veću od kritične mase, kako bi se pri stavljanju u pogon mogao postići faktor multiplikacije veći od 1 i divergentna lančana reakcija. Kad se postigne određena razina snage, faktor multiplikacije k = 1 postiže se ubacivanjem neutronskih apsorbera u reaktor. Mijenjanje faktora multiplikacije prema potrebi naziva se kontrolom reaktora. To se najčešće obavlja s pomoću kontrolnih šipki koje sadrže apsorbere neutrona ili dodavanjem apsorbera moderatoru. Za reaktor kojem je k = 1 kaže se da je kritičan, potkritičan ako je k < 1, a natkritičan ako je k > 1 .