Fisjon. Viktige trinn i en fisjonsprosess: A) Fisjonsprosessen starter med at et nøytron n blir opptatt i en 235U-kjerne (uran-235). B) Den ustabile 236U-kjernen som oppstår, kommer i vibrasjoner. C) Urankjernen spalter seg i to omtrent like store deler, fisjonsfragmenter, samtidig som 2–3 nøytroner blir frigjort. Hvert fragment kan oppfattes som en nydannet atomkjerne, kjernen til en radioaktiv isotop av et kjent grunnstoff. Variasjonsmulighetene er imidlertid store, og fragmentene er derfor ikke gitt noe grunnstoffnavn i figuren. D) De frigjorte kjernene støtes fra hverandre med stor kraft, men blir snart bremset ned, samtidig som de avgir nøytroner, β-stråling og γ-stråling. Under nedbremsingen utvikles varme. Imens bremses også de opprinnelige nøytronene ned. Noen forsvinner i systemet, men en del blir fanget inn av 235U-kjerner og vil utløse nye fisjoner.
Fisjon er i kjernefysikk en prosess hvor en atomkjerne spaltes i to mindre deler, samtidig som det frigjøres betydelige mengder energi. Fisjon brukes som energikilde ved bruk av kjernereaktorer.
Etter å ha blitt oppdaget i 1938, ble fisjon i løpet av kort tid brukt til å utvikle atombomben.
Fisjon kan foregå spontant fra en atomkjerne i sin laveste energitilstand (kalt grunntilstanden) uten noen ytre påvirkning. Alternativt kan fisjon induseres av en ytre påvirkning, for eksempel at man bombarderer atomkjerner med gammastråling, nøytroner eller andre partikler.
Den prosessen som har størst betydning, er fisjon etter innfanging av langsomme (såkalt termiske) nøytroner. Nuklider som kan fisjonere på denne måten, sies å være fissile.
Spontan fisjon er energetisk mulig for de fleste nuklider med massetall (nukleontall) større enn 80. Slike kjerner kan deles i to deler som til sammen har mindre masse enn den opprinnelige kjernen. Den manglende massen, \(\Delta M\), må da finnes igjen som energi, \(E\), i en annen form enn den opprinnelige massen. Dette er i samsvar med Einsteins ligning
\[E = \Delta M \cdot c^2\]
hvor c er lyshastigheten.
Massetapet og den frigjorte energimengden ved fisjon øker med økende nukleontall. For uran er den frigjorte energien cirka 200 megaelektronvolt (MeV) eller 3,2 · 10–11 joule (J) per spaltet kjerne. Dette er cirka 50 millioner ganger det som frigjøres per molekyl ved forbrenning av karbon til CO2.
Selv om spontan fisjon er energetisk mulig, er prosessen hindret av indre krefter i atomkjernene, og den er påvist bare i de aller tyngste av de naturlig forekommende nuklidene, og her med meget liten sannsynlighet. I tyngre, kunstig fremstilte nuklider, transuranene, øker sannsynligheten for spontan fisjon sterkt. Dette forklarer hvorfor nuklider med protontall større enn 92 (uran) ikke forekommer i naturen. De ville, om de var dannet sammen med resten av vårt solsystem, for lengst ha fisjonert og blitt borte.
Indusert fisjon ble i 1939 oppdaget av de to tyske kjemikerne Otto Hahn og Fritz Strassmann. De påviste at det ble dannet lettere grunnstoffer når uran ble bombardert med nøytroner. Eksperimentene dannet grunnlaget for senere utnyttelse av kjernefysisk energi i bomber og reaktorer.
En teoretisk forklaring på prosessen ble samme år gitt av Niels Bohr og John A. Wheeler. De forestilte seg atomkjernen som en væskedråpe. Når kjernen fanger inn et nøytron, oppstår det vibrasjoner på overflaten. Dette kan få den til å anta form som en ellipsoide som snører seg sammen på midten, og ved påvirkning også av elektrostatiske krefter splittes i to deler som frastøter hverandre.
Betydningen av indusert fisjon ligger både i at det frigjøres betydelige energimengder i hver enkel fisjon, og i det at prosessen, når den er startet, for bestemte kjerner kan fortsette av seg selv som en kjedereaksjon. Dette skyldes at i hver fisjon blir det frigjort et større eller mindre antall nøytroner, i gjennomsnitt cirka 2,5 per fisjon, i tillegg til de to tunge fragmentene. Disse nøytronene vil dels slippe ut av materialet, dels fanges inn av kjerner som ikke fisjonerer.
En del av nøytronene, i gjennomsnitt nf per fisjon, innfanges av fissile kjerner og frembringer nye fisjoner. Tallet nf kalles for reproduksjonsfaktoren. Hvis nf er lik 1, setter hver fisjon i gang én ny, og da er betingelsen for kjedereaksjon til stede.
Utnyttelsen av kjernefysisk energi knytter seg nøye til kontroll av reproduksjonsfaktoren. I fisjonsbomber (uranbomber og plutoniumbomber) ønsker man flest mulig fisjoner i løpet av kortest mulig tid, og man øker derfor nf plutselig og mest mulig fra en verdi mindre enn 1. Dette gjøres teknisk ved å presse deler av fissilt materiale mot hverandre og derved redusere det antall nøytroner som unnslipper fra overflaten.
I kjernefysiske reaktorer kontrollerer man kjedereaksjonen ved å variere reproduksjonsfaktoren omkring 1. Dette oppnås ved å skyve absorbatorer for nøytroner inn og ut av reaktoren, for eksempel staver av kadmium, som fanger opp en vesentlig del av nøytronene og reduserer antall fisjoner.
Sannsynligheten for fisjon er bestemt av den energien nøytronet fører med seg inn i kjernen. I fisjonsprosessen sendes det ut nøytroner med forskjellig energi, og for å få i gang en kjedereaksjon, må man utnytte nøytroner fra hele energiområdet, også de med lavest energi; langsomme nøytroner.
I naturen finnes det bare ett fissilt stoff, uranisotopen 235U. Dette er det eneste naturlig forekommende stoffet som kan brukes som reaktorbrensel eller som eksplosiv i fisjonsbomber. Dessuten kan man i reaktorer produsere de fissile nuklidene 233U av 232Th og 239Pu av 238U. I mindre målestokk kan dessuten enkelte tyngre fissile nuklider av spesiell militær interesse produseres.
Fisjon. Diagram over hyppigheten av fisjonsprodukter med forskjellige nukleontall, angitt i prosent per fisjon etter innfanging av langsomme nøytroner i 233U, 235U og 239Pu.
De produktene som atomkjernen primært spaltes i, og de produktene som oppstår ved radioaktiv desintegrasjon av de primære produktene, kalles fisjonsprodukter. Omkring 200 forskjellige stabile eller radioaktive nuklider er blitt identifisert som fisjonsprodukter.
Kjernen i fisjonsprosessen deler seg oftest ikke i to like tunge deler, men i en tyngre og en lettere. Fisjonsproduktene virker som forurensninger i reaktorer og vil, om de ikke fjernes i tide, «forgifte» reaktoren slik at den stopper opp.
Radioaktive produkter vil kunne utskilles i gassform eller løses i kjølevæske som forlater reaktoren, noe som av helsemessige årsaker må forhindres. Fisjonsprodukter kommer også som radioaktivt nedfall etter eksplosjoner av kjernefysiske bomber. Spesielt spiller her isotopene 90Sr og 137Cs, som begge lett absorberes av levende organismer, og har en halveringstid på rundt 30 år, en stor rolle på grunn av faren for biologisk skadelige virkninger.
Dessuten forekommer det en rekke andre fisjonsprodukter, blant annet 89Sr, 91Y, 95Zr, 131I, 134Cs, 140Ba, 143Ce, 144Ce og 147Nd som nedfallsprodukter. Også disse kan representere helsemessig risiko og er av betydelig biologisk interesse.
Fisjonsprodukter brukes som radioaktive kilder ved bestråling, for eksempel ved medisinsk behandling, for sterilisering av bakterier, preservering av matvarer og liknende. De brukes imidlertid bare i liten grad, da man som regel kan fremstille like egnede strålingskilder på enklere måter.
En rekke nuklider er bare kjent som fisjonsprodukter, og påvisning og studium av fisjonsprodukter har derfor betydelig teoretisk interesse.
Kommentarer (3)
skrev Hannah Berg
svarte Anne Eilertsen
svarte Tor Bjørnstad
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.