Fisjon

I kjernefysikk er fisjon den prosessen som fører til at tunge atomkjerner spaltes til mindre kjerner. Fisjon kalles også kjernespalting.

Spontan fisjon kan skje i naturen uten noe ytre påvirkning, men kan også induseres i en kjernereaktor eller i et laboratorium ved bombardement av atomkjerner med gammastråler, nøytroner eller andre partikler.

Ved fisjon avgis det store mengder energi som kan brukes både konstruktivt og destruktivt. Det er fisjon som er basis for kjernekraftverk og atombomber.

Normalt er fisjon en prosess hvor en tung kjerne påvirkes av en energi som får en allerede ustabil kjerne til å splittes i to deler. I kjernereaktorer og atombomber startes fisjon ved at man bombarderer kjernen med nøytroner. I noen tilfeller kan det også oppstå fisjon hvor kjernen blir splittet i tre. De resulterende kjernene er grunnstoffer som er forskjellige fra den fisjonerte kjernen.

De to nye kjernene er oftest ikke like store, men har en størrelse på omkring 2:3. I tillegg til de to nye kjernene vil fisjon også ofte avgi frie nøytroner. Foruten disse partiklene blir det avgitt en stor mengde energi i form av høyenergifoton eller gammastråler.

Fordi fisjon avgir nøytroner og også startes med nøytroner, vil det kunne oppstå en kjedereaksjon. Det er denne kjedereaksjonen man utnytter i atombomber. Hver fisjon utløser flere andre fisjoner, og alt det nukleære brennstoffet fisjonerer nesten samtidig. Dette utløser enorme mengder energi på meget kort tid.

I en kjernereaktor holder man kjedereaksjonen under kontroll, så man kan utnytte brennstoffets energi over lengre tid og ikke ender med en eksplosjon. Det skal ikke mye nukleært brennstoff til for å skape stor energi, fordi energitettheten er mange millioner ganger større enn tettheten i for eksempel brenselsolje.

Atomkjerner er bundet av den sterke kjernekraften. Den sterke kjernekraften har fått sitt navn fordi det skal en veldig sterk kraft til for å holde sammen protoner som er positivt ladet. I likhet med hva vi kjenner til fra magneter, vil partikler med samme ladning frastøte hverandre. Den sterke kjernekraften må holde sammen protoner som blir støtt fra hverandre.

Den energien som kreves for å holde en atomkjerne sammen, kaller vi for bindingsenergi. Det er denne energien som skal til for å holde sammen en kjerne, og det er også denne energien som skal til for å splitte den. Hvis man beregner bindingsenergien for hvert nukleon (protoner og nøytroner), er den forskjellig for forskjellige grunnstoffer.

Bindingsenergien per nukleon er lav for atomer med lavt atomnummer. Den stiger opp til atomnumrene omkring 50, deretter begynner den å falle igjen. Denne ulikhet i bindingsenergi per nukleon fører til at når en kjerne splittes ved fisjon, kan man få to kjerner som til sammen har en lavere bindingsenergi enn den originale kjernen. Den overskytende energien blir avgitt i fisjonsprosessen.

Fisjon og fusjon

Fisjon og fusjon er motsatte prosesser. Ved fusjon smelter to kjerner sammen til én, og ved fisjon splittes én kjerne i to (eller flere). Fisjon og fusjon kan avgi energi etter samme prinsipp om bindingsenergi. For at fusjon skal avgi energi, kreves det at de to kjernene har høyere bindingsenergi til sammen enn den fusjonerte kjernen.

I moderne atombomber kombineres fisjon og fusjon for å gi enda kraftigere bomber. Fisjon brukes til å skape nok varme til at fusjonsprosessen kan startes, og den samlede energien blir langt større enn fisjon alene. I de første atombombene, blant annet de som eksploderte i Hiroshima og Nagasaki, ble det bare brukt fisjon.

Eksempel på fisjon

Vi skal nå se på et eksempel på fisjon som kunne foregått i et kjernekraftverk. Her er det ²³⁵U som undergår fisjon. Uran er et vanlig brukt brennstoff i kjernekraft.

Et nøytron (n) med høy energi binder seg med ²³⁵U og danner ²³⁶U, som med det samme splittes i de to stoffene ⁹²Kr og ¹⁴¹Ba. Tre nøytroner og et foton (f) blir også avgitt i prosessen.

Vi starter fisjonen ved å bombardere ²³⁵U med et nøytron med høy energi. Dette danner isotopen ²³⁶U som er høyst ustabil, og den høye energien gjør at ²³⁶U spaltes til de to isotopene ⁹²Kr og ¹⁴¹Ba.

Når man teller isotopenes numre, kan man se at de til slutt mangler 3. Det er fordi de blir avgitt som nøytroner. Utover disse blir det også avgitt et foton.

I alt avgir fisjonen en energi på omkring 200 megaelektronvolt. Men det meste av denne energien vil bli overført til de to resulterende kjernene i form av kinetisk energi. Nøytronene vil også få noe av energien, mens fotonen vil få en energi på omkring 7 megaelektronvolt.