Fisjon av en kjerne er sp altning av et tungt atom i to fragmenter med omtrent lik masse, ledsaget av frigjøring av en stor mengde energi.
Oppdagelsen av kjernefysisk fisjon startet en ny æra – «atomalderen». Potensialet til mulig bruk og forholdet mellom risiko og nytte av bruken har ikke bare generert mange sosiologiske, politiske, økonomiske og vitenskapelige prestasjoner, men også alvorlige problemer. Selv fra et rent vitenskapelig synspunkt har prosessen med kjernefysisk fisjon skapt et stort antall gåter og komplikasjoner, og en fullstendig teoretisk forklaring av det er et spørsmål om fremtiden.
Deling er lønnsomt
Bindingsenergiene (per nukleon) er forskjellige for forskjellige kjerner. De tyngre har lavere bindingsenergier enn de som er plassert i midten av det periodiske system.
Dette betyr at tunge kjerner med et atomnummer større enn 100 drar nytte av å dele seg i to mindre fragmenter, og dermed frigjøre energi somomdannes til kinetisk energi av fragmenter. Denne prosessen kalles splitting av atomkjernen.
I følge stabilitetskurven, som viser avhengigheten av antall protoner av antall nøytroner for stabile nuklider, foretrekker tyngre kjerner flere nøytroner (sammenlignet med antall protoner) enn lettere. Dette antyder at sammen med sp altningsprosessen vil noen "reserve" nøytroner sendes ut. I tillegg vil de også ta på seg noe av den frigjorte energien. Studiet av kjernefysisk fisjon av uranatomet viste at 3-4 nøytroner frigjøres: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Atomnummeret (og atommassen) til et fragment er ikke lik halvparten av atommassen til forelderen. Forskjellen mellom massene av atomer dannet som et resultat av sp altning er vanligvis rundt 50. Årsaken til dette er imidlertid ikke fullt ut forstått ennå.
Bindende energiene til 238U, 145La og 90Br er 1803, 1198 og 763 MeV, henholdsvis. Dette betyr at som et resultat av denne reaksjonen frigjøres fisjonsenergien til urankjernen, lik 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontan fisjon
Prosesser for spontan sp altning er kjent i naturen, men de er svært sjeldne. Gjennomsnittlig levetid for denne prosessen er omtrent 1017 år, og for eksempel er gjennomsnittlig levetid for alfa-nedbrytning av samme radionuklid omtrent 1011år.
Grunnen til dette er at for å dele opp i to deler, må kjernenførst gjennomgå deformasjon (strekk) til en ellipsoid form, og deretter, før den endelige sp altningen i to fragmenter, danne en "hals" i midten.
Potensiell barriere
I deformert tilstand virker to krefter på kjernen. En av dem er den økte overflateenergien (overflatespenningen til en væskedråpe forklarer dens sfæriske form), og den andre er Coulomb-frastøtingen mellom fisjonsfragmenter. Sammen produserer de en potensiell barriere.
Som i tilfellet med alfa-forfall, for at den spontane fisjon av uranatomkjernen skal skje, må fragmentene overvinne denne barrieren ved hjelp av kvantetunnelering. Barrieren er omtrent 6 MeV, som i tilfellet med alfa-nedbrytning, men sannsynligheten for tunnelering av en α-partikkel er mye større enn for et mye tyngre atomfisjonsprodukt.
Forsert splitting
Mye mer sannsynlig er indusert fisjon av urankjernen. I dette tilfellet blir moderkjernen bestrålt med nøytroner. Hvis forelderen absorberer det, binder de seg, og frigjør bindingsenergi i form av vibrasjonsenergi som kan overstige 6 MeV som kreves for å overvinne den potensielle barrieren.
Der energien til et ekstra nøytron er utilstrekkelig til å overvinne den potensielle barrieren, må det innfallende nøytronet ha en minimum kinetisk energi for å kunne indusere sp altning av et atom. I tilfelle av 238U-bindingsenergi i tilleggnøytroner mangler omtrent 1 MeV. Dette betyr at fisjon av urankjernen kun induseres av et nøytron med en kinetisk energi større enn 1 MeV. På den annen side har isotopen 235U ett uparet nøytron. Når kjernen absorberer en ekstra, danner den et par med den, og som et resultat av denne sammenkoblingen oppstår ytterligere bindingsenergi. Dette er nok til å frigjøre mengden energi som er nødvendig for at kjernen skal overvinne den potensielle barrieren, og isotopfisjonen skjer ved kollisjon med et hvilket som helst nøytron.
Beta Decay
Til tross for at fisjonsreaksjonen sender ut tre eller fire nøytroner, inneholder fragmentene fortsatt flere nøytroner enn deres stabile isobarer. Dette betyr at fisjonsfragmenter generelt er ustabile mot beta-forfall.
For eksempel, når uran fisjon oppstår 238U, er den stabile isobaren med A=145 neodym 145Nd, som betyr at lantanfragmentet 145La forfaller i tre stadier, hver gang det sender ut et elektron og en antinøytrino, inntil det dannes en stabil nuklid. Den stabile isobaren med A=90 er zirkonium 90Zr, så det splittende fragmentet brom 90Br forfaller i fem stadier av β-forfallskjeden.
Disse β-forfallskjedene frigjør ekstra energi, som nesten alt blir båret bort av elektroner og antinøytrinoer.
Kjernereaksjoner: fisjon av urankjerner
Direkte stråling av et nøytron fra en nuklid med ogsået stort antall av dem for å sikre stabiliteten til kjernen er usannsynlig. Poenget her er at det ikke er noen Coulomb-avstøtning, og derfor har overflateenergien en tendens til å holde nøytronet i bånd med forelderen. Imidlertid skjer dette noen ganger. For eksempel produserer fisjonsfragmentet 90Br i det første stadiet av beta-forfall krypton-90, som kan være i en eksitert tilstand med nok energi til å overvinne overflateenergien. I dette tilfellet kan utslipp av nøytroner skje direkte med dannelsen av krypton-89. Denne isobaren er fortsatt ustabil for β-forfall til den endres til stabil yttrium-89, så krypton-89 forfaller i tre trinn.
Uran fisjon: kjedereaksjon
Nøytroner som sendes ut i en fisjonsreaksjon kan absorberes av en annen foreldrekjerne, som deretter selv gjennomgår indusert fisjon. Når det gjelder uran-238, kommer de tre nøytronene som produseres ut med en energi på mindre enn 1 MeV (energien som frigjøres under fisjon av urankjernen - 158 MeV - blir hovedsakelig omdannet til kinetisk energi til fisjonsfragmentene), så de kan ikke forårsake ytterligere fisjon av denne nukliden. Men med en betydelig konsentrasjon av den sjeldne isotopen 235U, kan disse frie nøytronene fanges opp av kjerner 235U, som faktisk kan forårsake fisjon, siden det i dette tilfellet ikke er noen energiterskel som fisjon ikke induseres under.
Dette er kjedereaksjonsprinsippet.
Typer kjernefysiske reaksjoner
La k være antall nøytroner produsert i en prøve av sp altbart materiale på trinn n av denne kjeden, delt på antall nøytroner produsert på trinn n - 1. Dette tallet vil avhenge av hvor mange nøytroner som produseres ved trinn n - 1. trinn n - 1, absorberes av kjernen, som kan gjennomgå tvungen fisjon.
• Hvis k < er 1, vil kjedereaksjonen ganske enkelt svirre ut og prosessen stopper veldig raskt. Dette er nøyaktig hva som skjer i naturlig uranmalm, der konsentrasjonen av 235U er så lav at sannsynligheten for absorpsjon av ett av nøytronene av denne isotopen er ekstremt ubetydelig.
• Hvis k > 1, så vil kjedereaksjonen vokse til alt det sp altbare materialet er brukt (atombombe). Dette oppnås ved å anrike naturlig malm for å oppnå en tilstrekkelig høy konsentrasjon av uran-235. For en sfærisk prøve øker verdien av k med en økning i nøytronabsorpsjonssannsynligheten, som avhenger av sfærens radius. Derfor må massen til U overstige en viss kritisk masse for at fisjon av urankjerner (en kjedereaksjon) skal skje.
• Hvis k=1, finner en kontrollert reaksjon sted. Dette brukes i atomreaktorer. Prosessen styres ved å fordele kadmium eller borstaver blant uranet, som absorberer de fleste nøytronene (disse grunnstoffene har evnen til å fange opp nøytroner). Splittingen av urankjernen styres automatisk ved å flytte stengene slik at verdien av k forblir lik én.
