Ядреното делене е процес, при който едно ядро се разделя на две (или понякога дори три) по-леки ядра. Обикновено се освобождават и други частици (неутрони, например) и електромагнитно лъчение (гама лъчи). Деленето може да настъпи спонтанно, но по-често се предизвиква изкуствено.

Най-честата реакция на делене, протичаща в ядрените реактори, е:

n + ²³⁵U → X + Y + (0-8)n + γ + излишна енергия

където X и Y обозначават ядрата, на които се е разделил уранът. Те се наричат фрагменти на делене (примери: ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe и др.) и имат маси, чийто сбор почти се равнява на масата на оригиналното уранево ядро (имайте предвид, че се освобождават от 0 до 8 неутрони).

Изотопът ²³⁵U е единственото делящо се ядро, което съществува в природата. Делящо се означава способно да претърпи делене, когато улови бавен (или топлинен) неутрон. Въпреки това, в природния уран изотопът ²³⁵U се среща в много ниски концентрации, около 0,72% – останалото е предимно ²³⁸U. Въпреки това, други делящи се ядра са произведени изкуствено.

При ядреното делене на урана средно се произвеждат 2,5 неутрона, така че реакцията води до нарастване на броя на неутроните в системата. Повечето от фрагментите на делене са радиоактивни и средно се излъчват около пет фотона (гама лъчи) при единична реакция.

Анимацията илюстрира реакцията на делене n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Когато неутрон бъде погълнат от ядрото на ²³⁵U, се образува ядро на ²³⁶U с толкова висока енергия, че нуклоните вътре в него започват да трептят енергично и ядрото се удължава.

В рамките на около 10^-12 s това удължаване дава началото на стеснение между двете части на ядрото. Ядрото след това се разделя подобно на капка вода, падаща от кран, която се разделя на две капки. Ядрените сили все още действат между нуклоните в двата противоположни края на удълженото ядро, но не толкова силно. В същото време двете части се отблъскват взаимно чрез електростатичните сили между протоните и ядрото се разцепва на два фрагмента.

Изображението илюстрира пример за ядрено делене. Звездичката показва, че ядрото на урана е в възбудено състояние, т.е. притежава излишък от енергия, което не позволява на ядрото да бъде стабилно.

Енергията, освободена при деленето на ²³⁵U, е около 200 МеВ. Тази енергия е кинетичната енергия на фрагментите на делене (около 167 МеВ), неутроните (около 5 МеВ) и около 17 МеВ се освобождават при бета-разпадите (средно 3 разпада на фрагмент). Останалите 7 МеВ се излъчват като гама лъчи.

Спомнете си, че изгарянето на един атом въглерод отделя само около 4 eV енергия – около 50 милиона пъти по-малко! Енергията на молекула, освободена при експлозията на TNT, също е много малка в сравнение: около 18 милиона пъти по-малка.

Научихме, че при типична реакция на делене на ²³⁵U се произвеждат около 2 неутрона.

Ако тези 2 неутрона бъдат погълнати от две други ядра на ²³⁵U, водейки до делене с по 2 неутрона на делене, както преди. Това ни оставя с 4 неутрона. Тези четири неутрона могат да предизвикат четири нови процеса на делене, в резултат на което ще се появят осем неутрона. Броят на неутроните, произведени в системата, нараства геометрично в това, което се нарича верижна реакция.

Не само броят на неутроните нараства бързо – освобождаваната енергия също расте с огромна скорост. Ако всяко ядро в 1 г ²³⁵U претърпи делене, освободената енергия ще бъде 6,023 × 10²³/235 × 200 МеВ = 5,125 × 10²³ МеВ = 8,2 ×10¹⁰ Дж. Това е енергията на маса от 1000 тона, падаща на Земята от височина 8,2 километра!

Броят на отделните деления в дадена верижна реакция е пропорционален на броя на делящите се ядра в материала. Неутроните, произведени при деленето, могат да инициират ново делене, ако бъдат погълнати от делящо се ядро. Но неутроните от деленето могат да бъдат погълнати от друг вид ядра или дори да избягат от материала. Следователно вероятността делене да се случи е по-малка от 1. Има обаче някои начини за увеличаване на тази вероятност.

Неутроните, освободени при деленето, имат около 1-2 МеВ енергия. Такива бързи неутрони имат много малка вероятност да предизвикат делене на ²³⁵U и затова тези неутрони ще преминат покрай много, много ядра, преди да бъдат погълнати от едно и да предизвикат делене. Едно решение е да ги забавим, т.е. да се уверим, че имат сравнително малки енергии (дробна част от 1 eV). Можете да мислите за по-голямата вероятност като произтичаща от факта, че бавните неутрони прекарват по-дълго време в контакт с ядрото на урана. Ние наричаме такива неутрони топлинни неутрони, защото техните кинетични енергии са близо до кинетичните енергии на молекулите в заобикалящия ни въздух. За да забавим неутроните в реактор за делене например, между делящия се материал се запълват празнините с т.нар. модератор, например вода или графит.

Друг метод за увеличаване на вероятността за улавяне на неутрони е да се обгради делящият се материал с отражател на неутрони, който ще разсее неутроните обратно, за да увеличи броя на сблъсъците. По-специално, берилий, графит и стомана са обичайни материали за отражател.

Освен това, някои неутрони ще срещнат ядра, които поглъщат неутрони. В случая на топлинни неутрони такива ефективни поглъщатели включват ядра на бор, кадмий и гадолиний. Бързите неутрони се поглъщат силно от най-разпространения изотоп в природния уран, ²³⁸U, произвеждайки делящ се ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu. Следователно трябва да се знае химичният и изотопният състав на материал, в който очакваме да наблюдаваме верижна реакция. Ще научим повече за всичко това в следващия раздел, посветен на ядрените реактори.