fisjon (fysikk)

Spontan fisjon er energetisk mulig for de fleste nuklider med massetall (nukleontall) større enn 80, idet slike kjerner kan deles i to deler som til sammen har mindre masse enn den opprinnelige kjerne. Den manglende massen, ΔM, må da finnes igjen som energi, E, i en annen form enn den opprinnelige massen. Dette er i samsvar med Einsteins ligning

E = ΔM·c²

hvor c er lyshastigheten.

Massetapet og den frigjorte energimengden ved fisjon øker med økende nukleontall. For uran er den frigjorte energien cirka 200 MeV (megaelektronvolt) eller 3,2 · 10^–11 J (joule) per spaltet kjerne. Dette er cirka 50 millioner ganger det som frigjøres per molekyl ved forbrenning av karbon til CO ₂.

Selv om spontan fisjon er energetisk mulig, er prosessen hindret av indre krefter i atomkjernene, og den er påvist bare i de aller tyngste av de naturlig forekommende nuklidene, og her med meget liten sannsynlighet. I tyngre, kunstig fremstilte nuklider, transuranene, øker sannsynligheten for spontan fisjon sterkt. Dette forklarer hvorfor nuklider med protontall større enn 92 (uran) ikke forekommer i naturen. De ville, om de var dannet sammen med resten av vårt solsystem, for lengst ha fisjonert og blitt borte.

Indusert fisjon ble i 1939 oppdaget av de to tyske kjemikerne Otto Hahn og Fritz Strassmann. De påviste at det ble dannet lettere grunnstoffer når uran ble bombardert med nøytroner. Eksperimentene dannet grunnlaget for senere utnyttelse av kjernefysisk energi i bomber og reaktorer.

En teoretisk forklaring på prosessen ble samme år gitt av Niels Bohr og John A. Wheeler. De forestilte seg atomkjernen som en væskedråpe. Når kjernen fanger inn et nøytron, oppstår det vibrasjoner på overflaten. Dette kan få den til å anta form som en ellipsoide som snører seg sammen på midten, og ved påvirkning også av elektrostatiske krefter splittes i to deler som frastøter hverandre.

Betydningen av indusert fisjon ligger både i at det frigjøres betydelige energimengder i hver enkel fisjon, og i det at prosessen, når den er startet, for bestemte kjerner kan fortsette av seg selv som en kjedereaksjon. Dette skyldes at i hver fisjon blir det frigjort et større eller mindre antall nøytroner, i gjennomsnitt cirka 2,5 per fisjon, i tillegg til de to tunge fragmentene. Disse nøytronene vil dels slippe ut av materialet, dels fanges inn av kjerner som ikke fisjonerer.

En del av nøytronene, i gjennomsnitt n_f per fisjon, innfanges av fissile kjerner og frembringer nye fisjoner. Tallet n_f kalles for reproduksjonsfaktoren. Hvis n_f er lik 1, setter hver fisjon i gang én ny, og da er betingelsen for kjedereaksjon til stede.

Utnyttelsen av kjernefysisk energi knytter seg nøye til kontroll av reproduksjonsfaktoren. I fisjonsbomber (uranbomber og plutoniumbomber) ønsker man flest mulig fisjoner i løpet av kortest mulig tid, og man øker derfor n_f plutselig og mest mulig fra en verdi mindre enn 1. Dette gjøres teknisk ved å presse deler av fissilt materiale mot hverandre og derved redusere det antall nøytroner som unnslipper fra overflaten.

I kjernefysiske reaktorer kontrollerer man kjedereaksjonen ved å variere reproduksjonsfaktoren omkring 1. Dette oppnås ved å skyve absorbatorer for nøytroner inn og ut av reaktoren, for eksempel staver av kadmium, som fanger opp en vesentlig del av nøytronene og reduserer antall fisjoner.

Sannsynligheten for fisjon er bestemt av den energien nøytronet fører med seg inn i kjernen. I fisjonsprosessen sendes det ut nøytroner med forskjellig energi, og for å få i gang en kjedereaksjon, må man utnytte nøytroner fra hele energiområdet, også de med lavest energi; langsomme nøytroner.

I naturen finnes det bare ett fissilt stoff, nemlig uranisotopen ²³⁵U. Dette er det eneste naturlig forekommende stoffet som kan brukes som reaktorbrensel eller som eksplosiv i fisjonsbomber. Dessuten kan man i reaktorer produsere de fissile nuklidene ²³³U av ²³²Th og ²³⁹Pu av ²³⁸U. I mindre målestokk kan dessuten enkelte tyngre fissile nuklider av spesiell militær interesse produseres.

Radioaktive produkter vil kunne utskilles i gassform eller løses i kjølevæske som forlater reaktoren, noe som av helsemessige årsaker må forhindres. Fisjonsprodukter kommer også som radioaktivt nedfall etter eksplosjoner av kjernefysiske bomber. Spesielt spiller her isotopene ⁹⁰Sr og ¹³⁷Cs, som begge lett absorberes av levende organismer, og har en halveringstid på rundt 30 år, en stor rolle på grunn av faren for biologisk skadelige virkninger.

Dessuten forekommer det en rekke andre fisjonsprodukter, blant annet ⁸⁹Sr, ⁹¹Y, ⁹⁵Zr, ¹³¹I, ¹³⁴Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴³Ce, ¹⁴⁴Ce og ¹⁴⁷Nd som nedfallsprodukter. Også disse kan representere helsemessig risiko og er av betydelig biologisk interesse.

Fisjonsprodukter brukes som radioaktive kilder ved bestråling, for eksempel ved medisinsk behandling, for sterilisering av bakterier, preservering av matvarer og liknende. De brukes imidlertid bare i liten grad, da man som regel kan fremstille like egnede strålingskilder på enklere måter.

En rekke nuklider er bare kjent som fisjonsprodukter, og påvisning og studium av fisjonsprodukter har derfor betydelig teoretisk interesse.