fisjon – fysikk

I kjernefysikken er fisjon den prosessen som forårsaker at en atomkjerne spaltes i to omtrent like store deler. Prosessen kan foregå som spontan fisjon fra en kjerne i sin laveste energitilstand (grunntilstanden) uten noen ytre påvirkning eller som indusert fisjon etter bombardement med gammastråling, nøytroner eller andre partikler. Den prosess som har størst betydning, er fisjon etter innfangning av langsomme (termiske) nøytroner. Nuklider som kan fisjonere på denne måte kalles fissile.

Spontan fisjon er energetisk mulig for de fleste nuklider med nukleontall større enn 80, idet slike kjerner kan deles i to deler som til sammen har mindre masse enn den opprinnelige kjerne. Den manglende masse, ΔM, må da finnes igjen som energi, E, i en annen form i samsvar med Einsteins ligning E = ΔM·c², hvor c er lyshastigheten. Massetapet og den frigjorte energimengde ved fisjon øker med økende nukleontall. For uran er den frigjorte energi ca. 200 MeV (megaelektronvolt) eller 3,2 · 10^–11 J (joule) per spaltet kjerne. Dette er ca. 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 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 sponten fisjon sterkt. Dette forklarer hvorfor nuklider med protontall (Z) 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 oppdaget av O. Hahn og F. Strassmann i 1939. 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 gitt samme år av N. Bohr og J. 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 foruten i at det frigjøres betydelige energimengder i hver enkel fisjon, i at prosessen, når den er startet, for bestemte kjerner kan fortsette av seg selv som en kjedereaksjon. Dette skyldes at det i hver fisjon ved siden av de to tunge fragmentene, frigjøres et større eller mindre antall nøytroner, i gjennomsnitt ca. 2,5 per fisjon. Disse vil dels slippe ut av materialet, dels fanges inn av kjerner som ikke fisjonerer. Men en del av dem, i gjennomsnitt n_f (som vanligvis kalles reproduksjonsfaktoren) per fisjon, innfanges av fissile kjerner og frembringer nye fisjoner. Er n_f lik 1, setter hver fisjon i gang én ny, og betingelsen for kjedereaksjon er til stede.

Utnyttelsen av kjernefysisk energi knytter seg nøye til kontroll av reproduksjonsfaktoren. I fisjonsbomber (uran- og plutoniumbomber) ønsker man flest mulig fisjoner i løpet av kortest mulig tid, og man øker derfor n_f 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 inn og ut av reaktoren absorbatorer for nøytroner, f.eks. 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 er det bare ett fissilt stoff, uranisotopen ²³⁵U. Dette er det eneste naturlig forekommende stoff 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, og – i mindre målestokk – enkelte tyngre fissile nuklider som kan være av spesiell militær interesse.

De produkter som atomkjernen primært spaltes i og de produkter som oppstår ved radioaktiv desintegrasjon av de primære produkter, kalles fisjonsprodukter. Omkring 200 forskjellige stabile eller radioaktive nuklider er blitt identifisert som fisjonsprodukter. De har nukleontall mellom 72 og 160 og atomnummer mellom 30 og 74.

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 el.l. som forlater reaktoren, noe som av helsemessige grunner 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 ca. 30 år, en stor rolle på grunn av faren for biologisk skadelige virkninger. Dessuten forekommer det en rekke andre fisjonsprodukter, bl.a. 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, f.eks. ved medisinsk behandling, for sterilisering av bakterier, preservering av matvarer o.l., men bare i liten grad da man som regel kan fremstille like egnede strålingskilder på andre, enklere måter. En rekke nuklider er bare kjent som fisjonsprodukter, og påvisning og studium av fisjonsprodukter har derfor betydelig teoretisk interesse.