Ydinfissio on prosessi, jossa ydin jakautuu kahteen (tai joskus jopa kolmeen) kevyempään ytimeen. Yleensä vapautuu myös muita hiukkasia (esimerkiksi neutroneja) ja sähkömagneettista säteilyä (gammasäteitä). Fissio voi tapahtua spontaanisti, mutta se indusoidaan useammin.

Yleisin ydinreaktoreissa tapahtuva fissioreaktion on:

n + ²³⁵U → X + Y + (0-8)n + γ + ylimääräinen energia

missä X ja Y merkitsevät ydintä, joihin uraani on jakautunut. Näitä kutsutaan fissiotuotteiksi (esimerkkejä: ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe jne.) ja niiden massojen summa on lähes yhtä suuri kuin alkuperäisen uraaninytimen massa (huomaa, että vapautuu 0–8 neutronia).

Isotooppi ²³⁵U on ainoa luonnossa esiintyvä fissiiliinen ydin. Fissiiliinen tarkoittaa kykyä läpikäydä fissio siepattaessa hidasta (tai termistä) neutronia. Luonnon uraanissa isotooppi ²³⁵U esiintyy kuitenkin hyvin pieninä pitoisuuksina, noin 0,72% – loput on pääasiassa ²³⁸U. Muita fissiilisiä ytimiä on kuitenkin tuotettu keinotekoisesti.

Uraanin ydinfissiossa tuotetaan keskimäärin 2,5 neutronia, joten reaktio johtaa neutronien lisääntyvään määrään systeemissä. Suurin osa fissiotuotteista on radioaktiivisia, ja keskimäärin yksittäisessä reaktiossa emittoituu noin viisi fotonia (gammasäteitä).

Animaatio havainnollistaa fissioreaktion n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Kun neutroni absorboituu ²³⁵U-ytimeen, muodostuu ²³⁶U-ydin, jonka energia on niin suuri, että sen sisällä olevat nukleonit alkavat värähdellä voimakkaasti ja ydin pitenee.

Noin 10^-12 s:n kuluessa tämä piteneminen synnyttää kaulan ytimen kahden osan välille. Ydin jakautuu sitten kuin vesipisara, joka tippuu hanasta ja jakautuu kahdeksi pisaraksi. Ydinkaavojen voimat vaikuttavat edelleen nukleonien välillä pitkittyneen ytimen kahden vastakkaisen pään välillä, muttei yhtä voimakkaasti. Samaan aikaan kaksi osaa hylkivät toisiaan protonien välisten sähköstaattisten voimien kautta ja ydin halkeaa kahdeksi fragmentiksi.

Kuva havainnollistaa esimerkin ydinfissiosta. Tähti osoittaa, että uraaninytimen on virittyneessä tilassa, eli sillä on energiaylimäärä, joka ei salli ytimen olla vakaa.

Energia, joka vapautuu ²³⁵U:n fissiossa, on noin 200 MeV. Tämä energia on fissiotuotteiden kineettistä energiaa (noin 167 MeV), neutronien (noin 5 MeV) ja noin 17 MeV vapautuu beetahajoamisissa (keskimäärin 3 hajoamista per fragmentti). Jäljelle jäävät 7 MeV emittoituvat gammasäteinä.

Muistakaa, että yksittäisen hiiliatomin poltto tuottaa vain noin 4 eV energiaa – noin 50 miljoonaa kertaa vähemmän! TNT:n räjähdyksessä vapautuva energia molekyyliä kohti on myös hyvin pieni verrattuna: noin 18 miljoonaa kertaa pienempi.

Olemme oppineet, että tyypillisessä ²³⁵U:n fissioreaktiossa tuotetaan noin 2 neutronia.

Jos nämä 2 neutronia absorboituu kahteen muuhun ²³⁵U-ytimeen, johtaen fissioihin, joista syntyy 2 neutronia per fissio kuten aiemmin. Tämä jättää meille 4 neutronia. Nämä neljä neutronia voivat indusoida neljä uutta fissiota, jonka tuloksena syntyy kahdeksan neutronia. Systeemissä tuotettujen neutronien määrä kasvaa geometrisesti siinä mitä kutsutaan ketjureaktioksi.

Ei ainoastaan neutronien määrä kasva nopeasti – myös vapautuva energia kasvaa valtavaa vauhtia. Jos jokainen ydin 1 g:ssa ²³⁵U:ta käy läpi fission, vapautuva energia on 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. Tämä on 1000 tonnin massan energia, joka putoaa maahan 8,2 kilometrin korkeudelta!

Ketjureaktiossa tapahtuvien yksittäisten fissioiden määrä on verrannollinen materiaalissa olevien fissiiliisten ytimien määrään. Fission tuottamat neutronit voivat käynnistää uuden fission, jos ne absorboituvat fissiiliiseen ytimeen. Mutta fission neutronit voivat absorboitua muun tyyppisiin ytimiin tai jopa paeta materiaalista. Siksi todennäköisyys, että fissio tapahtuu, on pienempi kuin 1. On kuitenkin joitakin tapoja lisätä tätä todennäköisyyttä.

Fission vapautuneilla neutroneilla on noin 1-2 MeV energiaa. Tällaisilla nopeilla neutroneilla on hyvin pieni todennäköisyys aiheuttaa ²³⁵U:n fissio, joten nämä neutronit kulkevat monien, monien ytimien ohi ennen kuin ne absorboituvat johonkin ja indusoivat fission. Yksi ratkaisu on hidastaa niitä, eli varmistaa, että niillä on suhteellisen pienet energiat (murto-osa 1 eV:stä). Voidaan ajatella, että suurempi todennäköisyys johtuu siitä, että hitaat neutronit viettävät pidemmän ajan kosketuksessa uraaninytimen kanssa. Kutsumme tällaisia neutroneja termisiksi neutroneiksi, koska niiden kineettiset energiat ovat lähellä ympärillämme olevan ilman molekyylien kineettisiä energioita. Neutronien hidastamiseksi fissioreaktoreissa esimerkiksi fissiiliisen materiaalin väliset tyhjät tilat täytetään niin kutsutulla moderaattorilla, esimerkiksi vedellä tai grafiitilla.

Toinen tapa lisätä neutronikaappauksen todennäköisyyttä on ympäröidä fissiilinen materiaali neutronireflektorilla, joka sirottaa neutronit takaisin lisätäkseen törmäysten määrää. Erityisesti beryllium, grafiitti ja teräs ovat yleisiä reflektorimateriaaleja.

Lisäksi jotkut neutronit kohtaavat ytimiä, jotka absorboivat neutroneja. Termisten neutronien tapauksessa tällaisia tehokkaita absorbentteja ovat boorin, kadmiumin ja gadoliniumin ytimet. Nopeat neutronit absorboituvat voimakkaasti luonnon uraanin yleisimpään isotooppiin, ²³⁸U:hun, tuottaen fissiiliistä ²³⁹Pu:ta ja ²⁴⁰Pu:ta. Siksi on tunnettava materiaalin kemiallinen ja isotooppinen koostumus, jossa odotamme ketjureaktion esiintyvän. Opimme lisää kaikesta tästä seuraavassa osiossa, joka on omistettu ydinreaktoreille.