fission (kernefysisk proces)

Fissionsbarrieren er den energi, der skal tilføres for, at en kerne kan fissionere. Det er det ligevægtspunkt, der har lavest energi over kernens grundtilstand. I den sjældne uranisotop ²³⁵U ligger barrieren 5,6 MeV (mio. elektronvolt) over grundtilstanden. En neutron, der indfanges af kernekræfterne i en ²³⁵U-kerne, tilføjer en energi til kernen på 6,5 MeV, svarende til bindingsenergien for den ekstra neutron. Denne energi er tilstrækkelig til, at tilfældige bevægelser i den dannede compoundkerne efter uhyre kort tid fører kernen mod fuldstændig fission.

Til gengæld er den energi, som en neutron tilfører den 140 gange hyppigere uranisotop ²³⁸U, kun 4,9 MeV og derfor ikke tilstrækkelig til at udløse fission. I stedet dannes ²³⁹U, som efter to betahenfald bliver til ²³⁹Pu, der igen kan fissionere. Når ²³⁹Pu fissionerer, frigøres en energi på 200 MeV, hvoraf 170 MeV frigives som bevægelsesenergi hos de to fragmenter. Resten, som bliver til indre energi i fragmenterne, er tilstrækkelig til, at der fra disse udsendes 2-3 neutroner.

I 1939 fremsatte den danske fysiker Niels Bohr og hans amerikanske fagfælle John A. Wheeler en forklaring på fissionsprocessen ud fra Bohrs dråbemodel. Her anskues kernen som en elektrisk ladet dråbe bestående af neutroner og protoner. Stærke kernekræfter mellem protoner eller neutroner, der er naboer til hinanden, holder kernen sammen som en lille dråbe med konstant tæthed og mindst mulig overflade, dvs. som en kugle.

Protonerne, der er jævnt fordelt mellem neutronerne, har tillige i kraft af deres elektriske ladning en frastødende virkning på hinanden — med lang rækkevidde. Tendensen til, at kuglen derved kunne svulme op, holdes i skak af kernekræfterne. På den anden side er kernekræfterne mindre virksomme over for ændringer af kernens form.

Trækkes dråben ud, så den bliver langstrakt med en indsnævring på midten, vil der opnås et ligevægtspunkt, hvor frastødningen mellem protonerne i de to dele netop er i balance med "nabokræfterne" langs indsnævringen. Herefter vil de langtrækkende elektriske kræfter få overhånd og drive de to dele fra hinanden.

Det er dette aspekt ved fissionsprocessen, der muliggør kædereaktionen og dermed den tekniske udnyttelse af energien. Ved at betone kernens karakter af en kvantevæske (se atomkerne) kan man forklare adskillige nuancer og afvigelser fra den oprindelige fissionsmodel; fx at de to fissionsfragmenter ikke er nøjagtig lige store, eller at der kan optræde to fissionsbarrierer efter hinanden, således at fissionen foregår i to trin.

Det stod hurtigt klart, at man i kernefission havde en proces, der i modsætning til andre kendte kerneprocesser kunne kontrolleres og udnyttes militært. Derfor blev der i begge af 2. Verdenskrigs modsatte lejre gjort forberedelser hertil. Især USA satte, sammen med Storbritannien, store kræfter ind i det såkaldte Manhattanprojekt, der kulminerede i august 1945 med bomberne over Hiroshima og Nagasaki. Det blev indledningen til atomalderen med dens nye vilkår for stormagtspolitikken og med dens muligheder for fredelig udnyttelse af atomenergien.

Princippet bag atombomben bygger på en ukontrolleret kædereaktion. Som beskrevet ovenfor og vist på figuren kan fission af bestemte kerner startes ved indfangning af en neutron. Samtidig kan fissionen føre til frigivelse af 2-3 neutroner. Disse neutroner kan så indfanges af 2-3 nye kerner, som derefter fissionerer, hvorved der frigives mere energi samt 4-9 nye neutroner, der igen kan indfanges. På den måde kan processen fortsættes, mens der hele tiden kommer flere neutroner og derved fissionsreaktioner i en ukontrolleret process.

Da den energi, som frigøres ved en fission, er millioner gange større end den, der frigives ved kemiske reaktioner som forbrænding eller eksplosion, er fission en mulig stor energikilde. Det første kernekraftværk, hvor fission blev anvendt til energiproduktion, blev koblet på netværket i Obninsk i Sovjetunionen (nu i Rusland) i 1954.

I modsætning til, hvad der tilfældet med en atombombe, anvender man i kernekraftværker en kontrolleret kædereaktion. Det gøres ved at opfange de fleste af de frigivne neutroner, så man sikrer sig, at man har et kontrolleret niveau af fission. Fx kan man opfange alle undtagen én af de frigivne neutroner. Den sidste neutron vil så forårsage endnu én fission, men hvis man kan holde antallet af neutroner fra en given fission på én, vil man kunne holde en stabil fissionsrate. Til at opfange neutronerne bruges såkaldte kontrolstænger.

De mest anvendte materialer i kernekraftværker er uran og thorium. Disse repræsenterer den sidste efterglød fra en gigantisk supernovaeksplosion, der foregik for ca. 5 mia. år siden i en stjerne nær vores egen Sol. Den oplagrede energi i disse stoffer frigøres ganske langsomt ved udsendelse af alfastråling, en proces, som ikke lader sig påvirke udefra.

Fission spiller også en vigtig rolle i kernefysik og for forståelsen af atomkerners opbygning. Levetiden af de mange forskellige isotoper, der findes, rangerer fra stabile isotoper til isotoper med levetider på under 1 millisekund. For at kunne studere de kortlivede isotoper har man brug for at kunne producere og måle på dem inden de henfalder. Disse isotoper kan man danne ved hjælp af fission. Ved at bestråle en atomkerne med højenergetiske protoner eller neutroner, kan man få kernen til at fissionere.

Da atomkernerne kan fissionerer på mange forskellige måder og derved skabe mange forskellige datterkerner, er udfordringen at kunne udvælge de ønskede isotoper. I 1950 viste de danske fysikere Otto Kofoed-Hansen og Niels-Ove Nielsen, hvordan man kunne producere og udvælge specifikke isotoper ved hjælp af en teknik kaldet Isotope Separation On Line (ISOL). I dag bruges denne teknik på de store acceleratorfacilliteter som Cern i Schweiz og Ganil i Frankrig.