Kernsplijting is het proces waarbij een atoomkern opsplitst in twee (en soms drie) lichtere kernen. Tegelijk worden daarbij meestal ook enkele neutronen en elektromagnetische straling (gammastraling) uitgezonden. Kernsplijting kan spontaan optreden, maar wordt meestal veroorzaakt (geïnduceerd) van buitenaf.

De meest voorkomeden kernsplijtingsreactie in kernreactoren is:

n + ²³⁵U → X + Y + (0-8)n + γ + overtollige energie

waarbij X en Y de twee atoomkernen voorstellen waarin de uraniumkern opsplitst. Deze worden de fissiefragmenten genoemd (voorbeelden hiervan zijn: ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe, enz.) en hebben samen een massa die bijna gelijk is aan de massa van de originele uraniumkern (noteer dat er ook 0 tot 8 neutronen worden uitgezonden samen met de fissiefragmenten).

Het isotoop ²³⁵U is de enige splijtbare atoomkern in de natuur. Splijtbaar betekent dat de kern spontaan (dit wil zeggen vanzelf) kan splijten als ze een traag (or thermisch) neutron invangt. In het uranium zoals het in de natuur komt het isotoop ²³⁵U echter maar in zeer kleine concentraties voor, nl. maar 0.72%, terwijl de rest vooral het isotoop ²³⁸U is. Andere splijtbare atoomkernen zijn wel artificieel aangemaakt.

In de kernsplijting van uranium worden gemiddeld 2.5 neutronen geproduceerd. Omdat er slechts één enkel neutron nodig is om een uraniumkern te splijten leidt kernsplijting van uranium tot een snelle toename van het aantal neutronen in het systeem. De meeste fissiefragmenten zijn radioactief en door het radioactief verval van deze fragmenten worden er per splijting van een uraniumkern ook nog eens vijf fotonen ((gamma rays), y) uitgezonden.

De animatie hiernaast toont de splijtingsreactie n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Wanneer een neutron wordt opgeslorpt door een ²³⁵U kern wordt de kern ²³⁶U gevormd in een toestand met zo veel energie dat de nucleonen (protonen en neutronen) in deze ²³⁶U kern zo hevig heen en weer gaan bewegen dat de kern een zeer langgerekte vorm aanneemt.

Binnen een tijdspanne van ongeveer 10^-12 s (een duizendste van een miljardste seconde) ontstaat door dit uitrekken van de ²³⁶U kern een insnoering ongeveer in het midden van de kern. De kern splitst dan op in twee delen zoals een waterdruppel die van een kraan naar beneden valt. De kernkracht werkt nog steeds tussen de nucleonen die zich aan de twee uiteinden van de langgerekte kern bevinden, maar minder sterk nu door de grotere afstand. Tegelijk stoten de twee delen elkaar af door de elektrostatische afstotingskracht tussen de protonen in elk van hen. Hierdoor valt de kern dan in twee stukken uiteen.

De afbeelding toont een voorbeeld van een kernsplijting. Het sterretje duidt er op dat de uranium atoomkern in een zogenaamde geëxciteerde toestand is, een toestand met meer energie dan de normale ‘grondtoestand’, waardoor de kern niet stabiel kan zijn.

De energie die vrijkomt wanneer een ²³⁵U atoomkern splijt is ongeveer 200 MeV. Deze energie wordt verdeeld over de kinetische energie van de fissiefragmenten (samen ongeveer 167 MeV), de neutronen (ongeveer 5 MeV), ongeveer 17 MeV die wordt uitgezonden in het bèta-verval van de fissiefragmenten (ongeveer drie bèta-vervallen voor elk fissiefragment) en nog eens ongeveer 7 MeV die wordt uitgezonden als gammastraling.

Herinner je dat het verbranden van één enkel koolstofatoom ongeveer 4 eV aan energie oplevert, ongeveer 50 miljoen maal minder dan bij de splijting van één ²³⁵U atoomkern! De energie per moelcule die vrijkomt bij de explosie van TNT springstof is in vergelijking hiermee ook erg klein: ongeveer 18 miljoen keer kleiner.

We hebben eerder gezien dat bij een typische splijtingsreactie van ²³⁵U er gemiddeld 2.5 neutronen vrijkomen. Laat ons dit even afronden tot 2 neutronen. Als deze 2 neutronen worden opgenomen door twee andere ²³⁵U kernen leidt dit tot de splijting van deze kernen waarbij er per kern opnieuw 2 neutronen vrijkomen, of dus 4 in totaal. Deze kunnen opnieuw uraniumkernen doen splijten waarbij er dan in totaal 8 neutronen zullen vrijkomen. Bij elke volgende ‘generatie’ van splijtingen komen er dus 2 maal zoveel neutronen vrij als daarvoor en zullen er daarna dus ook 2 maal zo veel splijtingsreacties als voordien kunnen plaats vinden. Het aantal neutronen en daarmee ook het aantal kernsplijtingen neemt dus steeds toe met een factor 2, wat we een kettingreactie noemen.

Niet alleen het aantal neutronen neemt in zo een kettingreactie snel toe, maar ook de hoeveelheid vrijgezette energie neemt dramatisch snel toe. Als elke atoomkern in 1 gram ²³⁵U splijt dan is de totale hoeveelheid energie die vrijkomt 6.023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5.125 × 10²³ MeV = 8.2 ×10¹⁰ J. Dit is dezelfde hoeveelheid energie vrijkomt als een massa van 1000 ton op de Aarde valt vanaf een hoogte van 8.2 kilometer!

Het aantal splijtingen in een kettingreactie is evenredig met het aantal splijtbare kernen in het materiaal. De neutronen die bij de splijtingen vrij komen kunnen een andere splijting veroorzaken als ze door een andere splijtbare kern geabsorbeerd worden. Maar de neutronen kunnen ook worden opgenomen door atoomkernen van andere elementen dan uranium, die niet kunnen splijten, of kunnen het materiaal ook verlaten zonder enige reactie. Daardoor is de kans dat de neutronen die bij de splijting van een uraniumkern vrij komen een nieuw splijting van uranium veroorzaken kleiner dan 1. Er zijn echter een verschillende mogelijkheden om die kans te verhogen.

De neutronen die bij kernsplijting vrijkomen hebben een energie van ongeveer 1 tot 2 MeV. Dit noemen we snelle neutronen en deze hebben in feite een erg lage kans om een ²³⁵U kern te doen splijten zodat ze eerst met een zeer groot aantal uraniumkernen moeten botsen (waarbij ze dan telkens een klein beetje van hun energie verliezen) voordat ze traag genoeg bewegen om door één ervan geabsorbeerd te worden en deze doen splijten. Eén mogelijk om de kans op splijting te verhogen is de neutronen te vertragen, met andere woorden er voor zorgen dat ze een lage energie krijgen (een fractie van een eV) omdat de kans op splijting dan zeer veel groter is. Je kan dit zien als een gevolg van het feit dat tragere neutronen langer in de buurt van een uraniumkern zullen zijn als ze die voorbij komen. Dergelijke trage neutronen noemen we thermische neutronen omdat hun energie ongeveer dezelfde is als de kinetische energie van de moleculen in de lucht rondom ons. Om neutronen te vertragen in een kernsplijtingsreactor wordt de lege ruimte tussen de splijtingsstaven, die het uranium bevatten, opgevuld met een materiaal dat we een moderator noemen. Meestal is dit water of grafiet (een vorm van koolstof).

Een andere methode om de kans dat neutronen worden ingevangen door een uraniumkern is om een neutronenreflector rond het uranium te plaatsen. Deze kaatst neutronen die zouden ontsnappen terug naar het uranium waardoor het aantal botsingen en dus toeneemt, de energie van de neutronen verder afneemt en ze op den duur traag genoeg zijn om een splijting te veroorzaken. Vooral beryllium, grafiet en staal worden vaak als neutronreflectoren gebruikt.

Sommige neutronen zullen andere atomen dan uraniumatomen tegenkomen die ook neutronen kunnen absorberen. Voor thermische neutronen zijn vooral boor-, cadmium- en gadoliniumatomen heel efficiënt in het absorberen van de trage neutronen. Snelle neutronen (met een energie van 1 tot 2 MeV) worden zeer sterk geabsorbeerd door het andere isotoop in uranium, namelijk ²³⁸U, waardoor ²³⁹Pu en ²⁴⁰Pu gevormd worden, twee kernen die kunnen splijten als ze thermische neutronen invangen. Daarom is het heel belangrijk om goed te weten welke materialen er allemaal aanwezig zijn in een reactor waarin we een ketiingreactie op gang willen houden om energie, en dus elektriciteit, te produceren. We zullen dit van meer nabij bekijken in de volgende sectie die over kernreactoren handelt. >