Kjernefysisk fisjon

Når en tung atomkjerne spaltes, fordeles masse og bindingsenergi mellom lettere fragmenter, frie nøytroner og stråling. Fisjon må forstås både som én kjernefysisk reaksjon og som en mulig nøytronkjede.

Grunnidé og definisjon

En typisk fisjon starter når en tung kjerne fanger et nøytron og danner en eksitert sammensatt kjerne. Den kan deformeres og spaltes i to hovedfragmenter. A og Z må balansere når alle fragmenter og frie nøytroner tas med; nøytrinoer hører ikke til den primære fisjonsbalansen.

²³⁵U + n → fragmenter + 2–3 nQ ≈ 200 MeVMendeleev · Kjernefysisk fisjon
Modell og nøkkelrelasjon

Mekanisme og kvantitativ modell

Energien kommer fra forskjellen i total bindingsenergi mellom start- og sluttproduktene. Omtrent 200 MeV per fisjon er en nyttig størrelsesorden, fordelt på fragmentenes kinetiske energi, nøytroner og gammaenergi. Det er massefeilen Δm som gir Q=Δmc², ikke at bevaringslovene brytes.

k<1 · k=1 · k>1subkritisk · kritisk · superkritiskMendeleev · Kjernefysisk fisjon
Modell og nøkkelrelasjon

Hva observasjoner og beregninger forteller

De frie nøytronene kan utløse nye fisjoner. Multiplikasjonsfaktoren k beskriver kjeden: k<1 er subkritisk, k=1 kritisk og k>1 superkritisk. Bare nøytroner som faktisk overlever lekkasje og ikke-fisjonell absorpsjon bidrar til neste generasjon.

Begrensninger og sammenhenger

Prompt nøytroner kommer nesten samtidig med fisjonen, mens forsinkede nøytroner følger beta-henfall av enkelte fisjonsprodukter. Den lille forsinkede andelen er fysisk viktig fordi den endrer tidsutviklingen. Reaktorregulering og en rask ukontrollert kjede er derfor ikke den samme dynamiske situasjonen.

Løste eksempler

Oppgave 1

Finn x i ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + x n.

Løsning

Massetall: 236=141+92+x, derfor x=3. Ladning: 92=56+36.

Oppgave 2

Finn Q når Δm=0,215 u og 1 u c²=931,5 MeV.

Løsning

Q=0,215×931,5=200,3 MeV, altså omtrent 200 MeV.

Oppgave 3

k=0,97 og N₀=1000. Finn antall nøytroner etter 10 generasjoner.

Løsning

N₁₀=1000·0,97¹⁰≈737. Fordi k<1 avtar kjeden.

En typisk fisjon starter når en tung kjerne fanger et nøytron og danner en eksitert sammensatt kjerne. Den kan deformeres og spaltes i to hovedfragmenter. A og Z må balansere når alle fragmenter og frie nøytroner tas med; nøytrinoer hører ikke til den primære fisjonsbalansen. Energien kommer fra forskjellen i total bindingsenergi mellom start- og sluttproduktene. Omtrent 200 MeV per fisjon er en nyttig størrelsesorden, fordelt på fragmentenes kinetiske energi, nøytroner og gammaenergi. Det er massefeilen Δm som gir Q=Δmc², ikke at bevaringslovene brytes. De frie nøytronene kan utløse nye fisjoner. Multiplikasjonsfaktoren k beskriver kjeden: k<1 er subkritisk, k=1 kritisk og k>1 superkritisk. Bare nøytroner som faktisk overlever lekkasje og ikke-fisjonell absorpsjon bidrar til neste generasjon. Prompt nøytroner kommer nesten samtidig med fisjonen, mens forsinkede nøytroner følger beta-henfall av enkelte fisjonsprodukter. Den lille forsinkede andelen er fysisk viktig fordi den endrer tidsutviklingen. Reaktorregulering og en rask ukontrollert kjede er derfor ikke den samme dynamiske situasjonen.