Fission, eller kärnklyvning, är en process där en kärna delar sig i två (eller ibland till och med tre) lättare kärnor. Oftast sänds även andra partiklar (till exempel neutroner) och elektromagnetisk strålning (gammastrålning) ut. Fission kan ske spontant men framkallas oftare utifrån.

Den vanligaste fissionsreaktionen i kärnreaktorer är:

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

där X och Y betecknar de kärnor som urankärnan har delats i. De kallas fissionsfragment (exempel:  ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe osv.) och har massor som tillsammans nästan motsvarar den ursprungliga urankärnans massa (observera att 0 till 8 neutroner frigörs).

Isotopen ²³⁵U är den enda fissila kärna som finns i naturen. Fissil betyder att kärnan kan klyvas när den fångar in en långsam (eller termisk) neutron. I naturligt uran finns isotopen ²³⁵U dock bara i mycket låg koncentration, omkring 0,72 % – resten är huvudsakligen ²³⁸U. Andra fissila kärnor har dock framställts på konstgjord väg.

Vid fission av uran bildas i genomsnitt 2,5 neutroner, så reaktionen leder till ett ökande antal neutroner i systemet. De flesta fissionsfragmenten är radioaktiva, och i genomsnitt sänds omkring fem fotoner (gammastrålar) ut i en enda reaktion.

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

När en neutron absorberas av ²³⁵U-kärnan bildas en ²³⁶U-kärna som har så hög energi att nukleonerna inuti börjar svänga kraftigt och kärnan blir avlång.

Inom ungefär 10^-12 s ger denna förlängning upphov till en insnörning mellan kärnans två delar. Kärnan delar sig sedan, ungefär som en vattendroppe som droppar från en kran delar sig i två droppar. Kärnkrafterna verkar fortfarande mellan nukleonerna i var sin ände av den avlånga kärnan, men inte lika starkt. Samtidigt stöter de två delarna bort varandra genom de elektrostatiska krafterna mellan protonerna, och kärnan klyvs i två fragment.

Bilden visar ett exempel på fission. Asterisken anger att urankärnan är i ett exciterat tillstånd, dvs. har ett överskott av energi som gör att kärnan inte kan vara stabil.

Den energi som frigörs när en ²³⁵U-kärna klyvs är omkring 200MeV. Denna energi är rörelseenergin hos fissionsfragmenten (omkring 167MeV) och neutronerna (omkring 5MeV), och omkring 17MeV frigörs vid betasönderfallen (i genomsnitt 3 sönderfall per fragment). De återstående 7MeV sänds ut som gammastrålning.

Kom ihåg att förbränningen av en enda kolatom bara avger omkring 4eV energi – ungefär 50 miljoner gånger mindre! Den energi per molekyl som frigörs vid en explosion av TNT är också mycket liten i jämförelse: omkring 18 miljoner gånger mindre.

Vi har lärt oss att vid en typisk fissionsreaktion av ²³⁵U bildas omkring 2 neutroner.

Om dessa 2 neutroner sedan absorberas av två andra ²³⁵U-kärnor leder det till nya fissioner med 2 neutroner per fission som förut. Då har vi 4 neutroner. Dessa fyra neutroner kan framkalla fyra nya fissionsprocesser, varvid åtta neutroner uppstår. Antalet neutroner i systemet växer exponentiellt i det som kallas en kedjereaktion.

Det är inte bara antalet neutroner som ökar snabbt – den frigjorda energin växer också i en våldsam takt. Om varje kärna i 1g ²³⁵U klyvs blir den frigjorda energin 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. Det motsvarar energin hos en massa på 1000 ton som faller ner på jorden från en höjd av 8,2 kilometer!

Antalet enskilda fissioner i en kedjereaktion är proportionellt mot antalet klyvbara kärnor i materialet. Neutroner från en fission kan starta en ny fission om de absorberas av en fissil kärna. Men fissionsneutroner kan också absorberas av andra typer av kärnor eller till och med lämna materialet. Därför är sannolikheten för att en fission ska ske mindre än 1. Det finns dock några sätt att öka denna sannolikhet.

Neutroner som frigörs vid fission har en energi på omkring 1-2 MeV. Sådana snabba neutroner har mycket låg sannolikhet att klyva ²³⁵U, så dessa neutroner passerar många, många kärnor innan de absorberas av en och framkallar en fission. En lösning är att bromsa dem, dvs. se till att de har relativt låg energi (en bråkdel av 1eV). Man kan tänka sig att den högre sannolikheten beror på att långsamma neutroner är i kontakt med urankärnan längre tid. Vi kallar sådana neutroner termiska neutroner, eftersom deras rörelseenergi ligger nära rörelseenergin hos molekylerna i luften omkring oss. För att bromsa neutronerna i till exempel en fissionsreaktor fyller man utrymmena mellan det fissila materialet med en så kallad moderator, till exempel vatten eller grafit.

Ett annat sätt att öka sannolikheten för neutroninfångning är att omge det fissila materialet med en neutronreflektor, som sprider tillbaka neutronerna och därmed ökar antalet kollisioner. Beryllium, grafit och stål är särskilt vanliga reflektormaterial.

Dessutom kommer vissa neutroner att träffa kärnor som absorberar neutroner. För termiska neutroner är effektiva absorbatorer bland annat kärnor av bor, kadmium och gadolinium. Snabba neutroner absorberas kraftigt av den vanligaste isotopen i naturligt uran, ²³⁸U, varvid klyvbart ²³⁹Pu och ²⁴⁰Pu bildas. Därför måste man känna till den kemiska och isotopiska sammansättningen hos ett material där man räknar med att få en kedjereaktion. Vi lär oss mer om allt detta i nästa avsnitt, som handlar om kärnreaktorer.