La fisión nuclear es un proceso en el que el núcleo se divide en dos (o algunas veces incluso tres) núcleos más ligeros. También se emiten otras partículas (por ejemplo neutrones) y radiación electromagnética (rayos gamma). La fisión puede ocurrir espontáneamente pero lo más común es que sea inducida.

La reacción de fisión más común en un reactor nuclear es:

n + ²³⁵U → X + Y + (0-8)n + γ + exceso de energía

donde X e Y denotan los núcleos en los que se divide el uranio. A éstos se les llama fragmentos de fisión (por ejemplo: ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe, etc.) y tienen masas que casi suman la masa del núcleo de uranio original (téngase en cuenta que se pueden liberar entre 0 y 8 neutrones).

El isótopo ²³⁵U es el único núcleo fisible que existe en la naturaleza. Fisible significa que es capaz de sufrir fisión cuando captura un neutrón lento (o térmico). Sin embargo, en el uranio natural el isótopo ²³⁵U se encuentra en concentraciones muy bajas, de alrededor del 0,72% - siendo el resto ²³⁸U. Otros núcleos fisibles se han producido artificialmente.

En la fisión nuclear del uranio, se producen en promedio 2,5 neutrones de forma que la reacción aumenta el número de neutrones en el sistema. La mayoría de los fragmentos de fisión son radiactivos y emiten en promedio alrededor de cinco fotones (rayos gamma) en cada reacción de fisión.

La animación ilustra la reacción de fisión n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Cuando el núcleo de ²³⁵U absorbe un neutrón se crea un núcleo de ²³⁶U que tiene suficiente energía como para los nucleones de su interior empiecen a oscilar vigorosamente "estirando" el núcleo.

En aproximadamente 10^-12 s la elongación da lugar a un estrechamiento entre las dos partes del núcleo. El núcleo se divide entonces en dos como lo hace una gota de agua goteando de un grifo. La fuerza nuclear sigue actuando entre los nucleones que se encuentran en los lados opuestos del núcleo elongado pero lo hace con menos intensidad. Al mismo tiempo, la fuerza electrostática entre los protones hace que las dos partes se repelan haciendo que el núcleo se parta en dos fragmentos.

La imagen ilustra un ejemplo de fisión nuclear. El asterisco indica que el núcleo de uranio se encuentra en un estado excitado, es decir, posee un exceso de energía que favorece la inestabilidad del nucleo.

La energía que se libera cuando un núcleo de ²³⁵U se fisiona es de aproximadamente unos 200 MeV. Esta energía se reparte entre la energía cinética de los fragmentos de fisión (unos 167 MeV) y los neutrones (unos 5 MeV). Además, unos 17 MeV aproximadamente se liberan en las desintegraciones beta (unas tres desintegraciones por fragmento, en promedio). Los 7 MeV restantes se emiten como radiación gamma.

Hay que recordar que la combustión de un único átomo de carbono produce solamente unos 4 eV de energía - ¡unos 50 millones de veces menos! - La energía por molécula liberada en la explosión del TNT es también muy pequeña en comparación: unos 18 millones de veces menor.

Según hemos aprendido, en una reacción de fisión típica de ²³⁵U se producen alrededor de dos neutrones.

Si estos dos neutrones son absorbidos por otros dos núcleos de ²³⁵U, éstos se fisionan produciendo otros dos neutrones por fisión. Esto nos deja con cuatro neutrones. Estos cuatro neutrones pueden inducir cuatro procesos de fisión, que dejarán como resultado ocho neutrones. El número de neutrones producidos en el sistema aumenta geometricamente en lo que se conoce como una reacción en cadena.

No es solo el número de neutrones lo que aumenta rapidamente - la energía liberada también crece a un ritmo tremendo. Si cada núcleo en 1 g de ²³⁵U sufre fisión, la energía liberada será de 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. ¡Ésta es la energía de 1000 toneladas cayendo en la Tierra desde una altura de 8,2 kilómetros!

El número de fisiones individuales en una reacción en cadena es proporcional al número de núcleos fisibles en el material. Los neutrones producidos por la fisión pueden iniciar otra fisión si son absorbidos por otros núcleos fisibles. Pero los neutrones de la fisión pueden ser absorbidos por otro tipo de núcleos, o incluso escapar del material. Por tanto, la probabilidad de que ocurra la fisión es menor que 1. Sin embargo, hay algunas formas de aumentar esta probabilidad.

Los neutrones liberados en la fisión tienen una energía de alrededor de 1-2 MeV. Esos neutrones, llamados rápidos, tienen una probabilidad muy baja inducir la fisión del ²³⁵U de forma que estos neutrones interaccionarán con muchísimos núcleos antes de ser capturados por uno e inducir fisión. Una solución es frenarlos, es decir, asegurarse que su energía sea lo suficientemente pequeña (una fracción de 1 eV). Estos neutrones lentos, llamados neutrones térmicos son los que pasan más tiempo en contacto con los núcleos de uranio. Sus energías cinéticas son parecidas a las energías cinéticas de las moléculas en el aire que nos rodea. Para frenar los neutrones en una reactor de fisión se llenan los espacios vacíos entre el combustible con un material llamado moderador, por ejemplo agua o grafito.

Otro método para aumentar la probabilidad de captura de neutrones consiste en rodear el material fisible con un reflector de neutrones que hace rebotar los neutrones para así aumentar el número de colisiones. El berilio, grafito y acero son materiales reflectores comunes.

Además, algunos neutrones encontraran núcleos que absorben neutrones. Para los neutrones térmicos el boro, cadmio y gadolinio están entre los materiales que absorben fácilmente neutrones. Por su parte, los neutrones rápidos son facilmente absorbidos por el isótopo más común del uranio, el ²³⁸U produciendo los núcleos fisibles ²³⁹Pu y ²⁴⁰Pu. Por tanto, hay que conocer la composición química e isotópica de los materiales que tenemos alrededor para saber si ellos van a participar en reacciones en cadena. Aprenderemos más de esto en la próxima sección, dedicada a los reactores nucleares.