Trong vật lý hạt nhân và hóa học hạt nhân, phản ứng phân hạch (phân hạch hạt nhân) là một phản ứng hạt nhân hoặc quá trình phân rã phóng xạ trong đó hạt nhân của một nguyên tử tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn, nhẹ hơn. Quá trình phân hạch thường tạo ra các photon gamma và giải phóng một lượng năng lượng rất lớn ngay cả theo tiêu chuẩn năng lượng của sự phân rã phóng xạ. Sự phân hạch hạt nhân của các nguyên tố nặng được Otto Hahn và trợ lý Fritz Strassmann của ông phát hiện vào ngày 17 tháng 12 năm 1938. Hiện tượng này đã được Lise Meitner và cháu trai của bà Otto Robert Frisch giải thích về mặt lý thuyết vào tháng 1 năm 1939. Frisch đặt tên cho quá trình này khi so sánh tương tự với phân hạch sinh học của các tế bào sống. Đối với các hạt nhân nặng, đó là một phản ứng tỏa nhiệt có thể giải phóng một lượng lớn năng lượng cả dưới dạng bức xạ điện từ có thể làm nóng vật liệu nơi xảy ra quá trình phân hạch. Để phản ứng phân hạch tạo ra năng lượng, tổng năng lượng liên kết của các phần tử kết quả phải âm hơn (năng lượng liên kết lớn hơn) so với phần tử ban đầu. Phản ứng phân hạch còn là một quá trình "biến đổi hạt nhân" vì các hạt nhân tạo ra từ hạt nhân được phân hạch không phải là nguyên tố giống như hạt nhân ban đầu. Hai (hoặc nhiều) hạt nhân được tạo ra thường có kích thước tương đương nhưng hơi khác nhau, điển hình với tỷ lệ khối lượng sản phẩm khoảng 3 đến 2, đối với các đồng vị phân hạch phổ biến. Hầu hết các phân hạch là phân hạch nhị phân (tạo ra hai mảnh tích điện), nhưng đôi khi (2 đến 4 lần trên 1000 sự kiện), ba mảnh tích điện dương được tạo ra, trong một phân hạch tạm thời. Các mảnh nhỏ nhất trong các quá trình ternary có kích thước từ hạt proton đến hạt nhân argon. Ngoài sự phân hạch do neutron gây ra, được con người sử dụng và khai thác, một dạng phân rã phóng xạ tự nhiên (không cần neutron) cũng được gọi là phân hạch, và đặc biệt xảy ra ở các đồng vị có khối lượng rất cao. Sự phân hạch tự phát được Flyorov, Petrzhak và Kurchatov phát hiện vào năm 1940 tại Moskva, khi họ xác nhận rằng, không bị bắn phá bởi neutron, tốc độ phân hạch của urani thực sự không đáng kể, như dự đoán của Niels Bohr. Thành phần không thể đoán trước của các sản phẩm (khác nhau theo cách xác suất rộng và hơi hỗn loạn) phân biệt sự phân hạch với các quá trình đường hầm lượng tử hoàn toàn như phát xạ proton, phân rã alpha và phân rã cụm, mỗi lần cho cùng một sản phẩm. Phản ứng phân hạch hạt nhân tạo ra năng lượng cho năng lượng hạt nhân và thúc đẩy sự bùng nổ của vũ khí hạt nhân. Cả hai cách sử dụng đều có thể bởi vì một số chất gọi là nhiên liệu hạt nhân trải qua quá trình phân hạch khi bị neutron phân hạch tấn công và lần lượt phát ra neutron khi chúng vỡ ra. Điều này làm cho phản ứng dây chuyền hạt nhân tự duy trì có thể xảy ra, giải phóng năng lượng ở tốc độ được kiểm soát trong lò phản ứng hạt nhân hoặc với tốc độ rất nhanh, không kiểm soát được trong vũ khí hạt nhân. Năng lượng do phản ứng phân hạch sản sinh ra dùng trong nhà máy điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân. Sư phân hạch được xem là nguồn năng lượng hữu dụng vì một số vật chất được gọi là nhiên liệu hạt nhân, vừa sản sinh ra các neutron tự do vừa kích hoạt phản ứng phân hạch bởi tác động của các neutron tự do này. Nhiên liệu hạt nhân còn là một phần của phản ứng dây chuyền tự duy trì mà nó giải phóng ra năng lượng ở mức có thể kiểm soát được như trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc ở mức không thể kiểm soát được dùng chế tạo các loại vũ khí hạt nhân. Lượng năng lượng tự do chứa trong nhiên liệu hạt nhân gấp hàng triệu lần năng lượng tự do chứa trong một khối nhiên liệu hóa học tương tự như xăng, khiến phân hạch hạt nhân trở thành một nguồn năng lượng rất dày đặc. Tuy nhiên, các sản phẩm phân hạch hạt nhân trung bình có tính phóng xạ cao hơn nhiều so với các nguyên tố nặng thường được phân hạch làm nhiên liệu, và vẫn tồn tại trong một khoảng thời gian đáng kể, làm phát sinh vấn đề chất thải hạt nhân. Những lo ngại về tích lũy chất thải hạt nhân và về tiềm năng hủy diệt của vũ khí hạt nhân là một đối trọng với mong muốn hòa bình sử dụng phân hạch làm nguồn năng lượng.