Fisjon, eller kjernespalting, er en prosess der en kjerne deler seg i to (eller noen ganger til og med tre) lettere kjerner. Vanligvis sendes det også ut andre partikler (for eksempel nøytroner) og elektromagnetisk stråling (gammastråling). Fisjon kan skje spontant, men framkalles oftere utenfra.

Den vanligste fisjonsreaksjonen i kjernereaktorer er:

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

der X og Y betegner kjernene som urankjernen har delt seg i. De kalles fisjonsfragmenter (eksempler:  ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe osv.) og har masser som til sammen nesten tilsvarer massen til den opprinnelige urankjernen (merk at det frigjøres fra 0 til 8 nøytroner).

Isotopen ²³⁵U er den eneste fissile kjernen som finnes i naturen. Fissil betyr at kjernen kan spaltes når den fanger inn et langsomt (eller termisk) nøytron. I naturlig uran finnes isotopen ²³⁵U imidlertid bare i svært lav konsentrasjon, rundt 0,72 % – resten er hovedsakelig ²³⁸U. Andre fissile kjerner er imidlertid framstilt kunstig.

Ved fisjon av uran dannes det i gjennomsnitt 2,5 nøytroner, så reaksjonen fører til et økende antall nøytroner i systemet. De fleste fisjonsfragmentene er radioaktive, og i gjennomsnitt sendes det ut omtrent fem fotoner (gammastråler) i én enkelt reaksjon.

Animasjonen viser fisjonsreaksjonen n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Når et nøytron absorberes av ²³⁵U-kjernen, dannes en ²³⁶U-kjerne som har så høy energi at nukleonene inni begynner å svinge kraftig, og kjernen blir avlang.

I løpet av omtrent 10^-12 s fører denne forlengelsen til en innsnevring mellom kjernens to deler. Kjernen deler seg deretter, omtrent som en vanndråpe som drypper fra en kran, deler seg i to dråper. Kjernekreftene virker fortsatt mellom nukleonene i hver sin ende av den avlange kjernen, men ikke like sterkt. Samtidig frastøter de to delene hverandre gjennom de elektrostatiske kreftene mellom protonene, og kjernen spaltes i to fragmenter.

Bildet viser et eksempel på fisjon. Stjernen angir at urankjernen er i en eksitert tilstand, det vil si at den har et overskudd av energi som gjør at kjernen ikke kan være stabil.

Energien som frigjøres når en ²³⁵U-kjerne spaltes, er omtrent 200MeV. Denne energien er bevegelsesenergien til fisjonsfragmentene (omtrent 167MeV) og nøytronene (omtrent 5MeV), og omtrent 17MeV frigjøres ved betahenfallene (i gjennomsnitt 3 henfall per fragment). De resterende 7MeV sendes ut som gammastråling.

Husk at forbrenningen av ett enkelt karbonatom bare avgir omtrent 4eV energi – omtrent 50 millioner ganger mindre! Energien per molekyl som frigjøres ved en eksplosjon av TNT, er også svært liten til sammenligning: omtrent 18 millioner ganger mindre.

Vi har lært at det ved en typisk fisjonsreaksjon av ²³⁵U dannes omtrent 2 nøytroner.

Hvis disse 2 nøytronene deretter absorberes av to andre ²³⁵U-kjerner, fører det til nye fisjoner med 2 nøytroner per fisjon som før. Da har vi 4 nøytroner. Disse fire nøytronene kan framkalle fire nye fisjonsprosesser, slik at det oppstår åtte nøytroner. Antallet nøytroner i systemet vokser eksponentielt i det som kalles en kjedereaksjon.

Det er ikke bare antallet nøytroner som øker raskt – den frigjorte energien vokser også i et voldsomt tempo. Hvis hver kjerne i 1g ²³⁵U spaltes, blir den frigjorte energien 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. Det tilsvarer energien til en masse på 1000 tonn som faller ned på Jorda fra en høyde på 8,2 kilometer!

Antallet enkeltfisjoner i en kjedereaksjon er proporsjonalt med antallet spaltbare kjerner i materialet. Nøytroner fra en fisjon kan starte en ny fisjon hvis de absorberes av en fissil kjerne. Men fisjonsnøytroner kan også absorberes av andre typer kjerner eller til og med unnslippe materialet. Derfor er sannsynligheten for at fisjon skal skje, mindre enn 1. Det finnes imidlertid noen måter å øke denne sannsynligheten på.

Nøytroner som frigjøres ved fisjon, har en energi på omtrent 1-2 MeV. Slike raske nøytroner har svært lav sannsynlighet for å spalte ²³⁵U, så disse nøytronene passerer mange, mange kjerner før de absorberes av én og framkaller fisjon. En løsning er å bremse dem, det vil si sørge for at de har relativt lav energi (en brøkdel av 1eV). Man kan tenke seg at den høyere sannsynligheten skyldes at langsomme nøytroner er i kontakt med urankjernen i lengre tid. Vi kaller slike nøytroner termiske nøytroner, fordi bevegelsesenergien deres ligger nær bevegelsesenergien til molekylene i lufta rundt oss. For å bremse nøytronene i for eksempel en fisjonsreaktor fyller man mellomrommene mellom det fissile materialet med en såkalt moderator, for eksempel vann eller grafitt.

En annen metode for å øke sannsynligheten for nøytroninnfanging er å omgi det fissile materialet med en nøytronreflektor, som sprer nøytronene tilbake og dermed øker antallet kollisjoner. Beryllium, grafitt og stål er særlig vanlige reflektormaterialer.

Dessuten vil noen nøytroner treffe kjerner som absorberer nøytroner. For termiske nøytroner er effektive absorbatorer blant annet kjerner av bor, kadmium og gadolinium. Raske nøytroner absorberes kraftig av den vanligste isotopen i naturlig uran, ²³⁸U, slik at det dannes spaltbart ²³⁹Pu og ²⁴⁰Pu. Derfor må man kjenne den kjemiske og isotopiske sammensetningen til et materiale der man venter å få en kjedereaksjon. Vi lærer mer om alt dette i neste avsnitt, som handler om kjernereaktorer.