Ytimen fissio on raskaan atomin hajoamista kahdeksi suunnilleen samanmassaiseksi fragmentiksi, minkä seurauksena vapautuu suuri määrä energiaa.
Ydinfission löytäminen aloitti uuden aikakauden - "atomiaikakauden". Sen mahdollisen käytön mahdollisuudet ja riskin ja hyödyn suhde sen käytöstä ovat tuottaneet paitsi monia sosiologisia, poliittisia, taloudellisia ja tieteellisiä saavutuksia, myös vakavia ongelmia. Jopa puhtaasti tieteellisestä näkökulmasta katsottuna ydinfissioprosessi on luonut suuren määrän arvoituksia ja komplikaatioita, ja sen täydellinen teoreettinen selitys on tulevaisuuden kysymys.
Jakaminen on kannattavaa
Sitoutumisenergiat (nukleonia kohti) vaihtelevat eri ytimillä. Raskaampien sitomisenergiat ovat alhaisemmat kuin jaksollisen taulukon keskellä sijaitsevilla.
Tämä tarkoittaa, että raskaat ytimet, joiden atomiluku on suurempi kuin 100, hyötyvät jakautumisesta kahdeksi pienemmäksi fragmentiksi ja vapauttavat siten energiaa, jokamuunnetaan fragmenttien kineettiseksi energiaksi. Tätä prosessia kutsutaan atomiytimen halkeamiseksi.
Stabiliteettikäyrän mukaan, joka osoittaa protonien lukumäärän riippuvuuden neutronien lukumäärästä stabiileissa nuklideissa, raskaammat ytimet pitävät enemmän neutroneista (verrattuna protonien määrään) kuin kevyemmät. Tämä viittaa siihen, että halkeamisprosessin mukana vapautuu joitain "varaneutroneja". Lisäksi he ottavat myös osan vapautuneesta energiasta. Uraaniatomin ydinfissiotutkimus osoitti, että 3-4 neutronia vapautuu: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Fragmentin atomiluku (ja atomimassa) ei ole yhtä suuri kuin puolet alkuperäisen atomimassasta. Halkeamisen seurauksena muodostuneiden atomien massojen välinen ero on yleensä noin 50. Syytä tähän ei kuitenkaan vielä täysin ymmärretä.
Sitoutumisenergiat 238U, 145La ja 90Br ovat 1803, 1198 ja 763 MeV, vastaavasti. Tämä tarkoittaa, että tämän reaktion seurauksena vapautuu uraaniytimen fissioenergiaa, joka on 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontaani fissio
Spontaanien halkeamisprosessit tunnetaan luonnossa, mutta ne ovat hyvin harvinaisia. Tämän prosessin keskimääräinen elinikä on noin 1017 vuotta, ja esimerkiksi saman radionuklidin alfahajoamisen keskimääräinen elinikä on noin 1011vuotta.
Syy tähän on se, että ytimen on jaettava kahteen osaanensin muodonmuutos (venytys) ellipsoidiseksi ja muodostaa sitten keskelle "kaulan" ennen lopullista jakautumista kahdeksi osaksi.
Potentiaalinen este
Epämuodostuneessa tilassa ytimeen vaikuttaa kaksi voimaa. Yksi niistä on lisääntynyt pintaenergia (nestepisaran pintajännitys selittää sen pallomaisen muodon) ja toinen on Coulombin hylkiminen fissiofragmenttien välillä. Yhdessä ne muodostavat mahdollisen esteen.
Kuten alfahajoamisen tapauksessa, jotta uraaniatomiytimen spontaani fissio tapahtuisi, fragmenttien on voitettava tämä este käyttämällä kvanttitunnelointia. Este on noin 6 MeV, kuten alfahajoamisen tapauksessa, mutta α-hiukkasen tunneloitumisen todennäköisyys on paljon suurempi kuin paljon raskaamman atomin fissiotuotteen.
Pakotettu halkaisu
Paljon todennäköisempää on uraanin ytimen indusoitu fissio. Tässä tapauksessa emoydin säteilytetään neutroneilla. Jos vanhempi imee sen, ne sitoutuvat vapauttaen sitomisenergiaa värähtelyenergian muodossa, joka voi ylittää potentiaaliesteen ylittämiseen vaaditun 6 MeV:n.
Jos ylimääräisen neutronin energia ei riitä potentiaaliesteen ylittämiseen, tulevalla neutronilla on oltava pienin kineettinen energia, jotta se voi aiheuttaa atomin halkeamisen. Jos kyseessä on 238U-sidosenergianeutroneista puuttuu noin 1 MeV. Tämä tarkoittaa, että uraaniytimen fissio indusoituu vain neutronilla, jonka kineettinen energia on suurempi kuin 1 MeV. Toisa alta isotoopilla 235U on yksi pariton neutroni. Kun ydin imee ylimääräisen, se muodostaa sen kanssa parin, ja tämän pariutumisen seurauksena syntyy lisää sitoutumisenergiaa. Tämä riittää vapauttamaan ytimen tarvitseman energiamäärän potentiaaliesteen ylittämiseen ja isotooppifissio tapahtuu törmäyksessä minkä tahansa neutronin kanssa.
Beta Decay
Huolimatta siitä, että fissioreaktio lähettää kolme tai neljä neutronia, fragmentit sisältävät silti enemmän neutroneja kuin niiden stabiilit isobaarit. Tämä tarkoittaa, että fissiofragmentit ovat yleensä epävakaita beetahajoamista vastaan.
Esimerkiksi kun uraanin fissio tapahtuu 238U, stabiili isobaari, jonka A=145 on neodyymi 145Nd, mikä tarkoittaa, että lantaanifragmentti 145La hajoaa kolmessa vaiheessa, joka kerta emittoimalla elektronin ja antineutriinon, kunnes muodostuu stabiili nuklidi. Stabiili isobaari, jonka A=90, on zirkonium 90Zr, joten halkaiseva fragmentti bromi 90Br hajoaa β-hajoamisketjun viidessä vaiheessa.
Nämä β-hajoamisketjut vapauttavat lisäenergiaa, jonka elektronit ja antineutriinot kuljettavat pois lähes kokonaan.
Ydinreaktiot: uraaniytimien fissio
Neutronin suora säteily nuklidista myössuuri määrä niitä ytimen vakauden varmistamiseksi on epätodennäköistä. Asia tässä on, että Coulombin hylkimistä ei ole, joten pintaenergia pyrkii pitämään neutronin sidoksessa vanhemman kanssa. Näin kuitenkin joskus tapahtuu. Esimerkiksi fissiofragmentti 90Br beetahajoamisen ensimmäisessä vaiheessa tuottaa krypton-90:tä, joka voi olla virittyneessä tilassa, jossa on tarpeeksi energiaa pintaenergian voittamiseksi. Tässä tapauksessa neutronien emissio voi tapahtua suoraan krypton-89:n muodostumisen yhteydessä. Tämä isobaari on edelleen epästabiili β-hajoamisen suhteen, kunnes se muuttuu stabiiliksi yttrium-89:ksi, joten krypton-89 hajoaa kolmessa vaiheessa.
Uraanin fissio: ketjureaktio
Fissioreaktiossa vapautuvat neutronit voivat absorboitua toiseen emoytimeen, joka sitten itse joutuu indusoidun fission läpi. Uraani-238:n tapauksessa kolme syntyvää neutronia tulee ulos energialla, joka on alle 1 MeV (uraaniytimen fission aikana vapautuva energia - 158 MeV - muunnetaan pääasiassa fissiokappaleiden liike-energiaksi), joten ne eivät voi aiheuttaa tämän nuklidin lisäfissiota. Harvinaisen isotoopin 235U merkittävällä pitoisuudella nämä vapaat neutronit voivat kuitenkin vangita ytimiin 235U, mikä voi todellakin aiheuttaa fissiota, koska tässä tapauksessa ei ole energiakynnystä, jonka alapuolella fissio ei aiheudu.
Tämä on ketjureaktion periaate.
Ydinreaktioiden tyypit
Olkoon k niiden neutronien lukumäärä, jotka syntyvät fissioituvan materiaalin näytteessä tämän ketjun vaiheessa n, jaettuna vaiheessa n - 1 tuotettujen neutronien lukumäärällä. Tämä luku riippuu siitä, kuinka monta neutronia syntyy vaiheessa n. vaihe n - 1, ne imeytyvät ytimeen, mikä voi joutua pakkofissioon.
• Jos k < on 1, ketjureaktio yksinkertaisesti sammuu ja prosessi pysähtyy hyvin nopeasti. Juuri näin tapahtuu luonnonuraanimalmissa, jossa 235U pitoisuus on niin alhainen, että todennäköisyys, että tämä isotooppi imeytyy johonkin neutronista, on erittäin mitätön.
• Jos k > 1, niin ketjureaktio kasvaa, kunnes kaikki halkeamiskelpoinen materiaali on käytetty (atomipommi). Tämä saavutetaan rikastamalla luonnonmalmia, jotta saadaan riittävän korkea uraani-235-pitoisuus. Pallomaisessa näytteessä k:n arvo kasvaa neutronien absorption todennäköisyyden kasvaessa, mikä riippuu pallon säteestä. Siksi U:n massan on ylitettävä jokin kriittinen massa, jotta uraaniytimien fissio (ketjureaktio) tapahtuisi.
• Jos k=1, tapahtuu kontrolloitu reaktio. Tätä käytetään ydinreaktoreissa. Prosessia ohjataan jakamalla uraanin kesken kadmium- tai boorisauvoja, jotka absorboivat suurimman osan neutroneista (näillä alkuaineilla on kyky siepata neutroneja). Uraaniytimen fissiota ohjataan automaattisesti siirtämällä sauvoja siten, että k:n arvo pysyy yhtä suurena kuin yksi.
