Ydinfissio
Ydinfissiossa raskas ydin jakautuu kahdeksi pääfragmentiksi ja vapauttaa tavallisesti myös neutroneja sekä gammasäteilyä. Energiaa vapautuu, koska keskikokoiset tuotteet ovat keskimäärin vahvemmin sidottuja nukleonia kohti kuin alkuperäinen hyvin raskas ydin.
Energia sidoskäyrästä
Hyvin raskaat ytimet sijaitsevat sidosenergia per nukleoni -käyrän laskevalla puolella. Fissiossa nukleonit siirtyvät kohti suuremman B/A:n aluetta. Alku- ja lopputilan massaero muuttuu enimmäkseen fragmenttien liike-energiaksi sekä neutronien ja fotonien energiaksi.
Neutronin indusoima fissio
Sopiva ydin voi siepata neutronin ja muodostaa virittyneen yhdistelmäytimen, joka deformoituu ja ylittää fissioesteen. Neutronin sähkövarauksettomuus on tärkeä etu, koska sen ei tarvitse voittaa positiivisen ytimen Coulombin hylkimistä.
Ketjureaktio
Yksi fissio vapauttaa usein useita neutroneja. Jos osa niistä aiheuttaa uusia fissioita, syntyy ketjureaktio. Tehollinen kertoluku k_eff kuvaa neutronipopulaation kehitystä: alle 1 järjestelmä on alikriittinen, 1 kriittinen ja yli 1 ylikriittinen.
Kriittisyys ei ole vain massa
Kriittinen ehto riippuu myös geometriasta, tiheydestä, neutronivuodosta, isotoppikoostumuksesta, moderaattoreista ja absorboivista aineista. Siksi käsite 'kriittinen massa' on aina sidottu tiettyihin olosuhteisiin eikä ole pelkkä aineen universaali massaraja.
Hallittu reaktio
Reaktorissa fissiotuotteiden liike-energia muuttuu nopeasti lämmöksi. Moderaattori voi muuttaa neutronien energiajakaumaa ja säätösauvat absorboida niitä. Tavoitteena on pitää reaktiivisuus hallinnassa, siirtää lämpö pois ja säilyttää riittävät turvallisuusmarginaalit.
Viivästyneet neutronit
Pieni osa neutroneista syntyy vasta joidenkin fissiotuotteiden beetahajoamisen jälkeen. Vaikka osuus on pieni, viivästyneet neutronit hidastavat reaktorin dynamiikkaa ratkaisevasti ja mahdollistavat teknisen tehonsäädön inhimillisellä ja automaattisella aikaskaalalla.
Jälkilämpö
Fissiotuotteet ovat usein neutronirikkaita ja jatkavat radioaktiivisia hajoamisia sen jälkeen, kun ketjureaktio on pysäytetty. Hajoamisenergia tuottaa jälkilämpöä, minkä vuoksi sammutettu reaktori ja käytetty polttoaine tarvitsevat edelleen jäähdytystä.
Neutronien energiajakauma
Kaikki fission neutronit eivät käyttäydy samalla tavalla. Niiden syntyenergia on yleensä MeV-luokkaa, mutta tietyissä fissioaineissa hitaan neutronin aiheuttaman fission todennäköisyys on paljon suurempi. Moderaattorin tehtävänä ei ole 'vahvistaa' neutroneja vaan siirtää niiden energiaa törmäyksissä. Neutronispektri vaikuttaa siten suoraan reaktion todennäköisyyksiin, polttoaineen käyttöön ja reaktorin suunnitteluun.
Harjoitus
Mitä k_eff=1 tarkoittaa?
Ratkaisu
Kukin neutronisukupolvi tuottaa keskimäärin yhtä monta tehokasta seuraavan sukupolven neutronia. Ketjureaktio on kriittinen ja pysyy keskimäärin vakaana.