Fission

Grundbeskrivelse

Det er muligt at frigøre energi ved at smelte lette atomkerner sammen (fusion) eller ved at spalte tunge kerner (fission).

Fission af urankerne i to dele plus tre neutroner. (IgniX, Wikimedia Commons).

At dette er muligt, skyldes, at atomkerner er stærkt bundne systemer bestående af protoner og neutroner. Man kan tænke på atomkerner som indeholdende potentiel energi, der kan frigøres helt eller delvist, når tunge atomkerner deles op, eller når lettere atomkerner smeltes sammen til én, der er tungere.

Alle tunge atomkerner kan fissionere. De meget tunge gør det spontant, de noget lettere er ret stabile, og derfor skal fissionen sættes i gang - induceres - f.eks. ved at bombardere den tunge kerne med neutroner.

Man kan frigøre energi ved at spalte en tung kerne, f.eks. uran-235, der indeholder 92 protoner og 143 neutroner, i to dele. Tallet 235 kaldes massetallet for urankernen, det samlede antal protoner og neutroner.

Uddybende beskrivelse

Fission af en tung atomkerne kan foregå spontant (altså af sig selv, med en karakteristisk halveringstid) eller den kan sættes i gang f.eks. ved at beskyde atomkernen med neutroner. Når en kerne fissionerer frigøres der som regel 2 eller 3 neutroner, der kan inducere fission i en ny kerne. Der kan derfor starte en kædereaktion. Hvis processen ikke kontrolleres, kan den foregå eksplosivt. I en fissionsreaktor, der bruges til energiproduktion, kontrolleres antallet af neutroner ved at indføre stave med neutron-absorberende materiale i reaktoren, således at der opretholdes en jævn energiudvikling.

For at sætte gang i fission med neutroner spiller sandsynligheden for at indfange en neutron en stor rolle. Denne sandsynlighed kalder fysikerne for absorptionstværsnittet, og den varierer fra kerne til kerne.

Absorptionstværsnittet for meget langsomme neutroner er meget større for uran-235 end for uran-238. Derfor bruges især uran-235 som brændstof i fissionsreaktorer (atomkraftanlæg). Hvis der er en blanding af uran-235 og uran-238 i reaktorens brændselsstave, kan nogle af neutronerne sætte gang i spaltning af uran-238, men de bremses hurtigt op og en del absorberes af uran-238 og fører til dannelsen af plutonium-239 - men de fleste neutroner bremses meget op og resulterer i fission af uran-235.

Neutroninduceret fission af uran-235 til barium-139 og krypton-96. (Stefan-Xp, Wikimedia Commons).

Når fissionen finder sted, spaltes kernen i 2 stykker, det ene stykke typisk med massetal omkring 90, f.eks. krypton eller strontium, det andet med massetal omkring 130, f.eks. barium eller xenon.

Den oprindelige tunge atomkerne har flere neutroner i forhold til antallet af protoner end fissions-stykkerne (fragmenterne). Man kan sige, at de lette fragmenter har sværere ved at holde på neutronerne. Derfor frigøres der typisk omkring 2-4 neutroner ved hver fission. Disse neutroner har energier på omkring 2 MeV (MegaelektronVolt).

Hvis man skal opretholde en kædereaktion, således at hver fission starter netop én (stabil drift) eller flere (eksplosiv reaktion) fissioner, må man bremse de frigjorte neutroner op i en såkaldt moderator, så neutronerne med høj sandsynlighed kan reagere med nye kerner.

For alle kerner gælder det, at summen af masserne af alle dens enkelte protoner og neutroner er større end massen af den samlede bundne kerne. Forskellen kaldes massedefekten. Mængden af energi (bindingsenergien) kan udregnes ud fra massedefekten ved brug af Einsteins berømte formel E=mc², hvor E er energien, m er massen og c er lysets hastighed.

Energien frigøres i form af bevægelsesenergi. Når reaktionsprodukterne bremses op i det omgivende materiale, frigøres der varme, der kan ledes bort via kølekredsløb og f.eks. drive en dampturbine og en elektricitetsgenerator.

Deformation af atomkernen fører frem til fission. (Hullemuc, Wikimedia Commons).

Mange forholdsvis tunge atomkerner er stabile og fissionerer ikke spontant. Man kan beskrive det ved, at der er en energibarriere der forhindrer fission. Hvis man er "bag ved barrieren" finder fissionen ikke sted, men hvis man kan "løftes over" barrieren, bliver kernen aflang og ender med at fissionere (gå i to stykker). Fissionsbarrierens højde er bestemt af en delikat balance mellem de kortrækkende og tiltrækkende kernekræfter, der virker mellem kernens protoner og neutroner og den langtrækkende elektriske frastødning, der virker mellem protonerne. Jo lavere fissionsbarriere, jo nemmere er det at fissionere.

For at komme op over barrieren skal der bruges en vis mængde energi, den såkaldte aktiveringsenergi.

Aktiveringsenergien bliver mindre, jo tungere kernen er. Mere præcist aftager den proportionalt med  Z²/A, hvor Z er protontallet og A massetallet - det samlede antal protoner og neutroner. For meget tunge systemer er aktiveringsenergien lig med nul, dvs. kernen kan slet ikke holde sammen.

For samme element (f.eks uran, der har 92 protoner i kernen) er der også forskelle på aktiveringsenergien, f.eks. mellem ²³⁵U og ²³⁸U.  For ²³⁸U er aktiveringsenergien ret høj (ca 0.6 MeV) og for  ²³⁵U er den næsten nul.

For at inducere fission med neutroner spiller sandsynligheden for at indfange en neutron en stor rolle. Denne sandsynlighed kalder fysikerne for absorptionstværsnittet, og den varierer også fra kerne til kerne.  Absorptionstværsnittet for meget langsomme neutroner er meget større for ²³⁵U end for ²³⁸U. Derfor bruges især ²³⁵U som brændstof i fissionsreaktorer. Hvis der er en blanding af ²³⁵U og ²³⁸U i reaktorens brændselsstave, kan nogle af neutronerne inducere fission i ²³⁸U med lav sandsynlighed, men de bremses hurtigt op og en del absorberes af ²³⁸U (og fører til dannelsen af ²³⁹Pu) - men de fleste neutroner bremses meget op og inducerer fission i ²³⁵U.

Med andre ord: sandsynligheden for fission er et produkt af fissionssandsynligheden og  neutronabsorptionssandsynligheden.

Jens Jørgen Gaardhøje