Kernespaltning, eller fission, er en proces, hvor en kerne deler sig i to (eller nogle gange endda tre) lettere kerner. Som regel udsendes der også andre partikler (for eksempel neutroner) og elektromagnetisk stråling (gammastråling). Fission kan ske spontant, men fremkaldes oftere udefra.

Den mest almindelige fissionsreaktion i atomreaktorer er:

n + ²³⁵U → X + Y + (0-8)n + γ + overskydende energi

hvor X og Y betegner de kerner, som urankernen er blevet delt i. De kaldes fissionsfragmenter (eksempler:  ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe osv.) og har masser, der tilsammen næsten svarer til den oprindelige urankernes masse (bemærk, at der frigøres fra 0 til 8 neutroner).

Isotopen ²³⁵U er den eneste fissile kerne, der findes i naturen. Fissil betyder, at kernen kan spaltes, når den indfanger en langsom (eller termisk) neutron. I naturligt uran findes isotopen ²³⁵U dog kun i meget lav koncentration, omkring 0,72 % – resten er hovedsageligt ²³⁸U. Andre fissile kerner er dog blevet fremstillet kunstigt.

Ved fission af uran dannes der i gennemsnit 2,5 neutroner, så reaktionen fører til et stigende antal neutroner i systemet. De fleste fissionsfragmenter er radioaktive, og i gennemsnit udsendes der omkring fem fotoner (gammastråler) i en enkelt reaktion.

Animationen viser fissionsreaktionen n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Når en neutron absorberes af ²³⁵U-kernen, dannes en ²³⁶U-kerne, som har så høj energi, at nukleonerne indeni begynder at svinge kraftigt, og kernen bliver aflang.

I løbet af omkring 10^-12 s får denne forlængelse en indsnævring til at opstå mellem kernens to dele. Kernen deler sig derefter, ligesom en vanddråbe, der drypper fra en hane, deler sig i to dråber. Kernekræfterne virker stadig mellem nukleonerne i hver sin ende af den aflange kerne, men ikke så kraftigt. Samtidig frastøder de to dele hinanden på grund af de elektrostatiske kræfter mellem protonerne, og kernen spaltes i to fragmenter.

Billedet viser et eksempel på kernespaltning. Stjernen angiver, at urankernen er i en exciteret tilstand, dvs. at den har et overskud af energi, som gør, at kernen ikke kan være stabil.

Den energi, der frigøres, når en ²³⁵U-kerne spaltes, er omkring 200MeV. Denne energi er den kinetiske energi hos fissionsfragmenterne (omkring 167MeV) og neutronerne (omkring 5MeV), og omkring 17MeV frigøres ved betahenfaldene (i gennemsnit 3 henfald pr. fragment). De resterende 7MeV udsendes som gammastråling.

Husk, at forbrændingen af et enkelt kulstofatom kun afgiver omkring 4eV energi – omkring 50 millioner gange mindre! Den energi pr. molekyle, der frigøres ved en eksplosion af TNT, er også meget lille til sammenligning: omkring 18 millioner gange mindre.

Vi har lært, at der ved en typisk fissionsreaktion af ²³⁵U dannes omkring 2 neutroner.

Hvis disse 2 neutroner derefter absorberes af to andre ²³⁵U-kerner, fører det til nye fissioner med 2 neutroner pr. fission som før. Så har vi 4 neutroner. Disse fire neutroner kan fremkalde fire nye fissionsprocesser, hvorved der opstår otte neutroner. Antallet af neutroner i systemet vokser eksponentielt i det, der kaldes en kædereaktion.

Det er ikke kun antallet af neutroner, der vokser hurtigt – den frigjorte energi vokser også i et voldsomt tempo. Hvis alle kerner i 1g ²³⁵U spaltes, vil den frigjorte energi være 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. Det svarer til energien fra en masse på 1000 tons, der falder ned på Jorden fra en højde af 8,2 kilometer!

Antallet af enkelte fissioner i en kædereaktion er proportionalt med antallet af spaltelige kerner i materialet. Neutroner fra en fission kan sætte en ny fission i gang, hvis de absorberes af en fissil kerne. Men fissionsneutroner kan også absorberes af andre typer kerner eller endda slippe ud af materialet. Derfor er sandsynligheden for, at der sker en fission, mindre end 1. Der er dog nogle måder at øge denne sandsynlighed på.

Neutroner, der frigøres ved fission, har en energi på omkring 1-2 MeV. Sådanne hurtige neutroner har en meget lav sandsynlighed for at spalte ²³⁵U, så disse neutroner vil passere mange, mange kerner, før de bliver absorberet af én og fremkalder en fission. En løsning er at bremse dem, dvs. sørge for at de har relativt lav energi (en brøkdel af 1eV). Man kan tænke på den højere sandsynlighed som et resultat af, at langsomme neutroner er længere tid i kontakt med urankernen. Vi kalder sådanne neutroner termiske neutroner, fordi deres kinetiske energi ligger tæt på den kinetiske energi hos molekylerne i luften omkring os. For at bremse neutronerne i for eksempel en fissionsreaktor fylder man mellemrummene mellem det fissile materiale med en såkaldt moderator, for eksempel vand eller grafit.

En anden metode til at øge sandsynligheden for neutronindfangning er at omgive det fissile materiale med en neutronreflektor, som spreder neutronerne tilbage og dermed øger antallet af sammenstød. Beryllium, grafit og stål er især almindelige reflektormaterialer.

Desuden vil nogle neutroner møde kerner, der absorberer neutroner. For termiske neutroner er effektive absorbere blandt andet kerner af bor, cadmium og gadolinium. Hurtige neutroner absorberes kraftigt af den mest almindelige isotop i naturligt uran, ²³⁸U, hvorved der dannes spalteligt ²³⁹Pu og ²⁴⁰Pu. Derfor skal man kende den kemiske og isotopiske sammensætning af et materiale, hvori man forventer at se en kædereaktion. Vi lærer mere om alt dette i næste afsnit, som handler om atomreaktorer.