Цепны́е я́дерные реа́кции, ядерные реакции, в которых частицы, их вызывающие, образуются в ходе самих этих реакций. Примером цепной ядерной реакции служит реакция деления ядра ²³⁵U под действием нейтрона. В ходе этой реакции образуется более 1 нейтрона (что показали Г. Н. Флёров, а также У. Зинн и Л. Силард). В этом случае один вторичный нейтрон продолжает цепочку ядерных реакций, а другие создают новые цепи, которые снова ветвятся. Впервые такая цепная ядерная реакция была осуществлена Э. Ферми в 1942 г. С процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, что порождает специфические предельные (критические) явления.

Число вторичных нейтронов, которые могут продолжать реакции деления, в отношении к числу нейтронов первого поколения, вызвавших деление, называют коэффициентом размножения нейтронов k. При k≫1 цепная ядерная реакция становится неуправляемой, происходит ядерный взрыв. При k=1 число делений в единицу времени постоянно и может происходить самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Природный уран состоит преимущественно из изотопов ²³⁸U (более 99 %) и ²³⁵U. Ядро ²³⁸U делится только под действием нейтронов с энергией более 1 МэВ, ядро ²³⁵U – под действием нейтронов любых энергий, причём сечение реакции деления возрастает с уменьшением энергии нейтрона. Однако при делении ядра ²³⁵U под действием нейтрона вылетает в среднем 2,5 нейтрона с энергией от 0,1 МэВ до 14 МэВ; следовательно, для эффективной ядерной цепной реакции необходим замедлитель нейтронов. Кроме того, число нейтронов, способных инициировать деление урана, уменьшается за счёт радиационного захвата, вылета нейтронов из активной зоны реактора, замедления нейтронов при неупругом рассеянии. Самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция деления возможна только в том случае, если масса делящегося вещества не меньше критической массы.

Для создания управляемой реакции, идущей под действием нейтронов, время жизни одного поколения нейтронов должно быть достаточно велико. Управляемая цепная ядерная реакция возможна только при участии т. н. запаздывающих нейтронов, вылетающих из продуктов деления после β-распада осколков деления.