A fissão nuclear é um processo no qual um núcleo se divide em dois (ou às vezes até três) núcleos mais leves. Outras partículas (neutrões, por exemplo) e radiação eletromagnética (raios gama) são geralmente libertadas também. A fissão pode ocorrer espontaneamente mas é mais frequentemente induzida.

A reação de fissão mais comum que ocorre em reatores nucleares é:

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

onde X e Y denotam os núcleos em que o Urânio se dividiu. Estes são chamados fragmentos de fissão (exemplos: ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe, etc.) e têm massas que quase totalizam a massa do núcleo de Urânio original (note-se que são libertados de 0 a 8 neutrões).

O isótopo ²³⁵U é o único núcleo físsil que existe na natureza. Físsil significa capaz de sofrer fissão quando captura um neutrão lento (ou térmico). No entanto, no Urânio natural, o isótopo ²³⁵U é encontrado em concentrações muito baixas, de cerca de 0,72% – o restante sendo principalmente ²³⁸U. Outros núcleos físseis foram produzidos artificialmente.

Na fissão nuclear do Urânio, em média, são produzidos 2,5 neutrões, pelo que a reação leva a um número crescente de neutrões no sistema. A maioria dos fragmentos de fissão são radioativos e, em média, são emitidos cerca de cinco fotões (raios gama) numa única reação.

A animação ilustra a reação de fissão n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Quando um neutrão é absorvido pelo núcleo ²³⁵U, forma-se um núcleo ²³⁶U com uma energia tão elevada que os nucleões no interior começam a oscilar vigorosamente e o núcleo se alonga.

Em cerca de 10^-12 s este alongamento dá origem a um pescoço entre duas partes do núcleo. O núcleo divide-se então como uma gota de água a pingar de uma torneira se divide em duas gotas. As forças nucleares ainda atuam entre os nucleões nas duas extremidades opostas do núcleo alongado, mas não tão intensamente. Ao mesmo tempo as duas partes repelem-se mutuamente através de forças eletrostáticas entre os protões, e o núcleo divide-se em dois fragmentos.

A imagem ilustra um exemplo de fissão nuclear. O asterisco indica que o núcleo de Urânio está num estado excitado, ou seja, possui um excesso de energia que não permite ao núcleo ser estável.

A energia libertada quando um ²³⁵U sofre fissão é de cerca de 200 MeV. Esta energia é a energia cinética dos fragmentos de fissão (cerca de 167 MeV), neutrões (cerca de 5 MeV), e cerca de 17 MeV são libertados nas desintegrações beta (em média, 3 desintegrações por fragmento). Os restantes 7 MeV são emitidos como raios gama.

Lembre-se que a combustão de um único átomo de carbono liberta apenas cerca de 4 eV de energia – cerca de 50 milhões de vezes menos! A energia por molécula libertada pela explosão de TNT é também muito pequena em comparação: cerca de 18 milhões de vezes menor.

Aprendemos que numa reação de fissão típica de ²³⁵U são produzidos cerca de 2 neutrões.

Se estes 2 neutrões forem então absorvidos por outros dois núcleos ²³⁵U, levando a fissões com 2 neutrões por fissão como antes. Isso deixa-nos com 4 neutrões. Estes quatro neutrões podem induzir quatro novos processos de fissão, resultando em oito neutrões. O número de neutrões produzidos no sistema aumenta geometricamente no que é chamado uma reação em cadeia.

Não é apenas o número de neutrões que aumenta rapidamente – a energia libertada também cresce a um ritmo tremendo. Se cada núcleo em 1 g de ²³⁵U sofrer fissão, a energia libertada será 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. Esta é a energia de uma massa de 1000 toneladas a cair na Terra de uma altura de 8,2 quilómetros!

O número de fissões individuais numa reação em cadeia é proporcional ao número de núcleos físseis no material. Os neutrões produzidos por fissão podem iniciar outra fissão se forem absorvidos por um núcleo físsil. Mas os neutrões de fissão podem ser absorvidos por outro tipo de núcleos, ou mesmo escapar do material. Portanto, a probabilidade de ocorrer fissão é inferior a 1. No entanto, existem algumas formas de aumentar esta probabilidade.

Os neutrões libertados na fissão têm cerca de 1-2 MeV de energia. Tais neutrões rápidos têm uma probabilidade muito baixa de causar fissão de ²³⁵U e portanto estes neutrões passarão por muitos, muitos núcleos antes de serem absorvidos por um e induzirem fissão. Uma solução é abrandá-los, ou seja, garantir que têm energias relativamente pequenas (uma fração de 1 eV). Pode-se pensar na maior probabilidade como resultante do facto de os neutrões lentos passarem mais tempo em contacto com o núcleo de Urânio. Chamamos a esses neutrões neutrões térmicos, porque as suas energias cinéticas estão próximas das energias cinéticas das moléculas do ar à nossa volta. Para abrandar os neutrões num reator de fissão, por exemplo, preenche-se os vazios entre o material físsil com um chamado moderador, por exemplo água ou grafite.

Outro método de aumentar a probabilidade de captura de neutrões é rodear o material físsil com um refletor de neutrões, que dispersará os neutrões de volta para aumentar o número de colisões. Em particular, berílio, grafite e aço são materiais refletores comuns.

Além disso, alguns neutrões encontrarão núcleos que absorvem neutrões. No caso de neutrões térmicos, tais absorvedores eficientes incluem núcleos de boro, cádmio e gadolínio. Os neutrões rápidos são fortemente absorvidos pelo isótopo mais comum no urânio natural, ²³⁸U, produzindo ²³⁹Pu e ²⁴⁰Pu físseis. Portanto, é necessário conhecer a composição química e isotópica de um material no qual esperamos observar uma reação em cadeia. Aprenderemos mais sobre tudo isto na próxima secção, dedicada aos reatores nucleares.