Fisiunea nucleară este un proces în care un nucleu se divide în 2 (sau ocazional în 3) nuclee mai mici. Alte particule (neutronii, de exemplu) și radiațiile electromagnetice (radiațiile gama) pot fi produse în același timp. Fisiunea poate apărea spontan, dar de ce cele mai multe ori este indusă.

Cea mai comună reacție de fisiune utilizată în reactoarele nucleare:

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

unde X și Y denotă nucleele în care uraniul se divide. Acestea sunt numite fragmente de fisiune (exemplu: ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe) și au mase care însumate dau aproape masa nucleului original de uraniu (de observat că se produc și între 0 și 8 neutroni).

Izotopul de ²³⁵U este singurul nucleu fisibil care există în natură. Fisibilitatea înseamnă capabilitatea de a fisiona în urma capturării unui neutron lent (sau termic). În natură însă uraniul ²³⁵U are o concentrație scăzută doar 0.72% restul fiind în principal ²³⁸U. Alte nuclee fisibile au fost produse artificial.

În fisiunea nucleară a uraniului aproximativ 2,5 neutroni sunt produși în medie, deci reacția conduce la multiplicarea numărului de neutroni din sistem. Majoritatea fragmentelor de fisiune sunt radioactive și în medie în fiecare reacție sunt produși și 5 fotoni (raze gama).

Animația ilustrează reacția de fisiune n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Prin absorbția unui neutron nucleul ²³⁵U formează nucleul ²³⁶U. Energia suplimentară primita provoacă și o oscilație a formei nucleului prin alungirea acesteia.

Într-un interval de 10^-12 s această prelungire dă naștere la o gâtuire între două părți ale nucleului. Nucleul se poate rupe la fel cum o picătura de apă se se formează prin picurarea de la robinet. Forțele nucleare acționează în continuare între cele două părți ale nucleului însă mai slab. În același timp aceste părți se resping una pe cealaltă datorită repulsiei electrostatice dintre protoni, astfel cele 2 fragmente ajung să se îndepărteze.

Imaginea prezintă un exemplu de fisiune nucleară. Asteriscul indică că nucleul de uraniu este într-o stare excitată, adică are energie în exces care nu ii permite să se afle într-o stare stabilă.

Energia eliberată când un nucleu ²³⁵U suferă o fisiune este de aproximativ 200 MeV. Această energie este energia cinetică a fragmentelor de fisiune (aproximativ 167MeV), neutronilor (aproximativ 5MeV) și aproximativ 17 MeV energie eliberată în dezintegrarea beta (aproximativ 3 dezintegrări/fragment). Energia rămasă de 7 MeV este energia radiației gama emise.

De reamintit că arderea unui singur atom de carbon produce doar 4eV - adică de 50 milioane de ori mai puțin! Energia pe moleculă eliberată în explozia TNT-ului este de asemenea foarte mică prin comparație: aproximativ de 18 milioane de ori mai mică.

Am aflat deja că într-o reacție de fisiune tipică a uraniului ²³⁵U se produc aproximativ 2 neutroni.

Dacă acești doi neutroni sunt absorbiți de alte două nuclee de ²³⁵U prin fisiune alți doi neutroni sunt produși de fiecare nucleu. Astfel vom avea patru neutroni. Acești patru neutroni pot induce noi procese de fisiune, rezultând opt neutroni. Numărul de neutroni produși în sistem cresc continuu și aceasta se numește reacție în lanț.

Nu doar numărul de neutroni crește rapid ci și energia eliberată. Dacă fiecare nucleu din 1g de ²³⁵U ar produce fisiune, energia eliberată ar fi de 6.023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5.125 × 10²³ MeV = 8.2 ×10¹⁰ J. Această este energia unei mase de 1000 tone ce cade pe Pământ de la o distanță de 8.2 kilometri!

Numărul de fisiuni într-o reacție în lanț este proporțional cu numărul de nuclee fisionabile în material. Neutronii produși într-o fisiune pot iniția altă fisiune dacă ei sunt absorbiți de nuclee fisionabile. Însă neutronii de fisiune pot fi absorbiți de alte tipuri de nuclee sau pot scapă din material. Prin urmare probabilitatea ca fisiunea să se producă este mai mică de 1. Există însă metode de a crește această probabilitate.

Neutronii eliberați în fisiune au aproximativ o energie de 1-2 MeV. Asemenea neutroni rapizi au o probabilitate foarte mică să producă fisiunea ²³⁵U și acești neutroni trebuie sa treacă printr-o cantitate mare de material înainte să fie absorbiți și să inducă fisiunea. O soluție este ca aceștia să fie încetiniți la energii de ordinul unei fracțiuni de 1eV. Vă puteți gândi că acest grad de probabilitate provine din faptul că neutronii lenți petrec mai mult timp în contact cu nucleul de uraniu. Numim acești neutroni, neutroni termali, pentru că energia lor cinetică este apropiată ca valoare de cea a energiei cinetice a moleculelor din aerul înconjurător. Pentru a încetini neutronii spațiul liber dintre materialele fisile este umplut cu materiale ce au acest rol de moderator, de exemplu apa sau grafitul.

O altă metodă de a crește probabilitatea de interacție a neutronilor este de a înconjura materialul fisil cu reflectori de neutroni, ce vor împrăștia înapoi neutronii crescând altfel numărul de coliziuni posibile. În particular beriliul, grafitul și otelul sunt cele mai folosite materiale reflectoare.

În plus unii neutroni pot întâlni nuclee care absorb neutroni. În cazul neutronilor termali absorbanți eficienți sunt nucleele de bor, cadmiu și gadoliniu. Neutronii rapizi sunt puternic absorbiți de elemente precum ²³⁸U, izotopul cel mai comun al uraniul natural și prin care se produc nucleele fisionabile ²³⁹Pu și ²⁴⁰Pu. În consecință este absolut necesar sa cunoaștem compoziția chimică a materialelor unde ne așteptăm sa observăm reacția în lanț. Vom învăța mai multe despre aceste aspecte în următoarea secțiune dedicată reactorilor nucleari. >