Fission af en kerne er sp altning af et tungt atom i to fragmenter med omtrent samme masse, ledsaget af frigivelse af en stor mængde energi.
Opdagelsen af nuklear fission begyndte en ny æra - "atomalderen". Potentialet ved dets mulige anvendelse og forholdet mellem risiko og fordel ved brugen har ikke kun genereret mange sociologiske, politiske, økonomiske og videnskabelige resultater, men også alvorlige problemer. Selv fra et rent videnskabeligt synspunkt har processen med nuklear fission skabt en lang række gåder og komplikationer, og en fuldstændig teoretisk forklaring på det er et spørgsmål om fremtiden.
Deling er rentabel
Bindingsenergierne (pr. nukleon) er forskellige for forskellige kerner. De tungere har lavere bindingsenergier end dem, der er placeret i midten af det periodiske system.
Dette betyder, at tunge kerner med et atomnummer større end 100 har gavn af at dele sig i to mindre fragmenter og derved frigive energi, deromdannet til kinetisk energi af fragmenter. Denne proces kaldes sp altning af atomkernen.
Ifølge stabilitetskurven, som viser antallet af protoners afhængighed af antallet af neutroner for stabile nuklider, foretrækker tungere kerner flere neutroner (sammenlignet med antallet af protoner) end lettere. Dette tyder på, at der sammen med sp altningsprocessen vil blive udsendt nogle "reserve" neutroner. Derudover vil de også tage noget af den frigivne energi på sig. Undersøgelsen af nuklear fission af uranatomet viste, at 3-4 neutroner frigives: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Atomtallet (og atommassen) af et fragment er ikke lig med halvdelen af atommassen af forælderen. Forskellen mellem masserne af atomer dannet som følge af sp altning er norm alt omkring 50. Årsagen til dette er dog endnu ikke fuldt ud forstået.
Bindende energier af 238U, 145La og 90Br er 1803, 1198 og 763 MeV, henholdsvis. Det betyder, at som et resultat af denne reaktion frigives urankernens fissionsenergi, svarende til 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontan fission
Processer til spontan sp altning er kendt i naturen, men de er meget sjældne. Den gennemsnitlige levetid for denne proces er omkring 1017 år, og f.eks. er den gennemsnitlige levetid for alfa-henfald af det samme radionuklid omkring 1011år.
Grunden til dette er, at for at opdele i to dele, skal kernenførst undergå deformation (strækning) til en ellipseformet form, og derefter, før den endelige opdeling i to fragmenter, danne en "hals" i midten.
Potentiel barriere
I den deforme tilstand virker to kræfter på kernen. En af dem er den øgede overfladeenergi (overfladespændingen af en væskedråbe forklarer dens sfæriske form), og den anden er Coulomb-frastødningen mellem fissionsfragmenter. Sammen producerer de en potentiel barriere.
Som i tilfældet med alfa-henfald, skal fragmenterne overvinde denne barriere ved hjælp af kvantetunneling, for at den spontane fission af uranatomkernen kan forekomme. Barrieren er omkring 6 MeV, som i tilfældet med alfa-henfald, men sandsynligheden for tunneling af en α-partikel er meget større end for et meget tungere atomfissionsprodukt.
Tvungen opdeling
Meget mere sandsynligt er induceret fission af urankernen. I dette tilfælde bestråles moderkernen med neutroner. Hvis forælderen absorberer det, binder de sig og frigiver bindingsenergi i form af vibrationsenergi, der kan overstige de 6 MeV, der kræves for at overvinde den potentielle barriere.
Hvor energien af en yderligere neutron er utilstrækkelig til at overvinde den potentielle barriere, skal den indfaldende neutron have en minimum kinetisk energi for at være i stand til at inducere sp altning af et atom. I tilfælde af 238U-bindingsenergi yderligereneutroner mangler omkring 1 MeV. Det betyder, at fission af urankernen kun induceres af en neutron med en kinetisk energi større end 1 MeV. På den anden side har isotopen 235U én uparret neutron. Når kernen absorberer en ekstra, danner den et par med den, og som et resultat af denne parring opstår der yderligere bindingsenergi. Dette er nok til at frigive den mængde energi, der er nødvendig for, at kernen kan overvinde den potentielle barriere, og isotopsp altningen opstår ved kollision med en hvilken som helst neutron.
Beta Decay
På trods af at fissionsreaktionen udsender tre eller fire neutroner, indeholder fragmenterne stadig flere neutroner end deres stabile isobarer. Det betyder, at fissionsfragmenter generelt er ustabile mod beta-henfald.
For eksempel, når uranfission forekommer 238U, er den stabile isobar med A=145 neodym 145Nd, hvilket betyder, at lanthanfragmentet 145La henfalder i tre trin, hver gang der udsendes en elektron og en antineutrino, indtil der dannes et stabilt nuklid. Den stabile isobar med A=90 er zirconium 90Zr, så det sp altende fragment brom 90Br henfalder i fem trin af β-henfaldskæden.
Disse β-henfaldskæder frigiver yderligere energi, som næsten alt bliver båret væk af elektroner og antineutrinoer.
Kernereaktioner: fission af urankerner
Direkte stråling af en neutron fra en nuklid med ogsået stort antal af dem for at sikre, at kernens stabilitet er usandsynlig. Pointen her er, at der ikke er nogen Coulomb-afstødning, og så har overfladeenergien en tendens til at holde neutronen i bånd med forælderen. Dette sker dog nogle gange. For eksempel producerer fissionsfragmentet 90Br i det første trin af beta-henfald krypton-90, som kan være i en exciteret tilstand med nok energi til at overvinde overfladeenergien. I dette tilfælde kan emissionen af neutroner ske direkte med dannelsen af krypton-89. Denne isobar er stadig ustabil over for β-henfald, indtil den ændrer sig til stabil yttrium-89, så krypton-89 henfalder i tre trin.
Uranfission: kædereaktion
Neutroner, der udsendes i en fissionsreaktion, kan absorberes af en anden moderkerne, som derefter selv gennemgår induceret fission. I tilfælde af uran-238 kommer de tre producerede neutroner ud med en energi på mindre end 1 MeV (den energi, der frigives under fissionen af urankernen - 158 MeV - omdannes hovedsageligt til fissionsfragmenternes kinetiske energi), så de kan ikke forårsage yderligere fission af dette nuklid. Men med en betydelig koncentration af den sjældne isotop 235U, kan disse frie neutroner fanges af kerner 235U, som faktisk kan forårsage fission, da der i dette tilfælde ikke er nogen energitærskel, under hvilken fission ikke induceres.
Dette er kædereaktionsprincippet.
Typer af nukleare reaktioner
Lad k være antallet af neutroner, der produceres i en prøve af fissilt materiale på trin n af denne kæde, divideret med antallet af neutroner produceret i trin n - 1. Dette tal vil afhænge af, hvor mange neutroner, der produceres ved trin n - 1, absorberes af kernen, som kan gennemgå tvungen fission.
• Hvis k < er 1, så vil kædereaktionen simpelthen løbe ud, og processen stopper meget hurtigt. Det er præcis, hvad der sker i naturlig uranmalm, hvor koncentrationen af 235U er så lav, at sandsynligheden for absorption af en af neutronerne af denne isotop er ekstremt ubetydelig.
• Hvis k > 1, så vil kædereaktionen vokse, indtil alt det fissile materiale er brugt (atombombe). Dette opnås ved at berige naturlig malm for at opnå en tilstrækkelig høj koncentration af uran-235. For en sfærisk prøve stiger værdien af k med en stigning i neutronabsorptionssandsynligheden, som afhænger af kuglens radius. Derfor skal massen af U overstige en vis kritisk masse, for at sp altningen af urankerner (en kædereaktion) kan finde sted.
• Hvis k=1, finder en kontrolleret reaktion sted. Dette bruges i atomreaktorer. Processen styres ved at fordele cadmium- eller borstænger blandt uranet, som absorberer de fleste neutroner (disse grundstoffer har evnen til at fange neutroner). Sp altningen af urankernen styres automatisk ved at flytte stængerne, så værdien af k forbliver lig med én.
