right|thumb|En induceret fissions reaktion. En neutron absorberes af en uran-235 kerne, idet den kortvarigt forvandles til en exciteret uran-236 kerne, med excitations energien leveret af den kinetiske energi af neutronen plus de kræfter som binder neutronen. Uran-236 spaltes derefter i 2 hurtigt flyvende lettere grundstoffer (fissions produkter) og frigør nogle få frie neutroner. Samtidigt frigives såkaldte "prompte gammastråler" (ikke vist)
I kernefysik og kernekemi er kernefission enten en kernereaktion eller en radioaktiv henfaldsproces i hvilket atomkernen spaltes til mindre dele (lettere kerner). Fissionsprocessen frembringer ofte frie neutroner og gamma-fotoner og frigør en meget stor mængde energi sammenlignet med de energimængder, der frigøres ved kemiske processer.
Kernefission af tunge grundstoffer blev opdaget i 1938 af tyskeren Otto Hahn og hans assistent Fritz Strassmann og forklaret teoretisk i 1939 af Lise Meitner og hendes nevø Otto Robert Frisch. Frisch navngav processen ved analogi med biologisk fission af levende celler. Det er en exoterm reaktion, der frigør store mængder af energi både som elektromagnetisk stråling og som kinetisk energi af brudstykkerne, idet materialet, fissionen sker i, opvarmes. For at fissionen kan frembringe energi, skal den totale bindingsenergi for de resulterende grundstoffer være mindre negativ end for udgangsgrundstoffet.
Fission er en form for kernetransmutation, fordi de resulterende brudstykker ikke er samme grundstof som det oprindelige atom. De 2 kerner, der frembringes, er oftest af sammenlignelig, men lidt forskellig størrelse, ofte med et masseforhold på 2 eller 3 for almindeligt forekommende fissile isotoper. De fleste fissioner er binære fissioner (der frembringes 2 ladede brudstykker), men lejlighedsvis (2 til 4 gange per 1000 begivenheder), frembringes 3 positivt ladede brudstykker i en terniær fission. De mindste af disse brudstykker i en terniær proces varierer i størrelse fra en proton til en argon kerne.
Bortset fra fission startet med neutroner, som udnyttes teknisk, kaldes også radioaktivt henfald (som ikke kræver neutroner) for fission. Spontan fission blev opdaget 1940 af Flyorov, Petrzhak and Kurchatov i Moskva, da de ville bekræfte at fissions-raten for uran var negligerbar uden neutronbombardement, som forudsagt af Niels Bohr; det viste sig, at det var den ikke.
Den uforudsigelige sammensætning af produkterne adskiller fission fra rene kvantemekaniske tunnelprocesser som proton-emission, alfahenfald, og klyngehenfald, der giver de samme produkter hver gang. Kernespaltning frembringer energi i kernekraft og driver eksplosionen i kernevåben. Begge anvendelser muliggøres af at visse stoffer kaldet kernebrændsel undergår fission, når de rammes af neutroner, og derefter selv udsender neutroner, når de spaltes. Dette muliggør en selvkørende kædereaktion. Energien frigøres langsomt og kontrolleret i en kernereaktor eller hurtigt og ukontrolleret i et kernevåben.
Mængden af energi, som det er muligt at frigøre fra kernebrændsel er millioner af gange større end den energi som kan frigøres fra en tilsvarende masse af kemisk brændsel som f.eks. benzin. Dette gør kernefission til en meget koncentreret energikilde. Produkterne af kernefission er dog i gennemsnit langt mere radioaktive end de tunge grundstoffer, der bruges som kernebrændsel, og de vedbliver at være radioaktive i betydelige tidsrum. Der opstår derfor et betydeligt affaldsproblem, og bekymringer over ophobning af radioaktivt affald og over det destruktive potentiale af kernevåben er en modvægt mod den fredelige udnyttelse af kernekraft, der i årtier har givet anledning til politisk debat.
Fysisk overblik
Mekanisme right|thumb|250x250px|En visuel repræsentation af en induceret kerne fissions begivenhed, hvor en langsomt bevægende neutron absorberes af en uran-235 kerne, der fissioner til 2 hurtigt bevægende lettere grundstoffer (fissions produkter) og yderligere neutroner. Det meste af den frigjorte energi som frigøres er i form af kinetisk energi af fissionsprodukterne og neutronerne. thumb|300x300px|Frembragte fissions produkter efter masse for termisk neutron fission af U-235, Pu-239, en fordeling af de 2 som er typisk for nuværende kernereaktorer, og U-233 brugt i thorium cyklussen. Kerne-fission kan forekomme uden neutron bombardement som en type radioaktivt henfald. Denne type af fission, kaldet spontan fission er sjælden, undtagen i nogle få tunge isotoper. I teknisk frembragte kerne-aggregater sker stort set al kerne-fission som kerne-reaktion - en bombardements drevet proces - hvor en subatomar partikel kolliderer med en atomkerne og fremkalder ændringer i den. Kerne-reaktioner er derfor bestemt af den nærmere mekanik i bombardementet og ikke af det relativt konstante eksponentielle henfald og den tilhørende halveringstids-karakteristik for spontane processer.
Mange typer af kerne-reaktion er kendt for nuværende. Fission adskiller sig væsentligt fra andre typer af kerne-reaktioner, ved at den kan forstærkes og nogen gange kontrolleres via en kædereaktion. I en sådan reaktion kan neutroner frigjort ved hver fissionsbegivenhed udløse flere begivenheder, der igen kan frigøre flere neutroner og udløse flere fissioner.
De isotoper, der kan understøtte en fissionskædereaktion, kaldes kerne-brændsler, og siges at være fissile. De mest almindelige kerne-brændsler er 235U (uran isotopen med atommasse 235 og brugbar i kerne-reaktorer) og 239Pu (isotopen af plutonium med atommasse 239). Disse brændsler brydes op i et todelt område af grundstoffer med atommasser, der samles om masserne nær 95 og 135 u (fissions-produkterne). De fleste kerne-brændsler undergår kun spontan fission meget langsomt, idet de i stedet primært henfalder via en alfa-beta henfaldskæde der kan strække sig over tusinder eller millioner af år. I en kerne-reaktor eller et kernevåben, er den altovervejende del af fissionen fremkaldt ved bombardement med neutroner, der igen er fremkaldt af foregående fission.
Kernefission i fissile brændstoffer er resultatet af excitations-energien der udløses, når en fissil kerne fanger en neutron. Energien som udløses ved neutron-indfangningen skyldes den tiltrækkende kerrnekraft, der virker mellem neutronen og kernen. Den er stor nok til at deformere kernen til en todelt dråbeform. Når deformationen er fremskredet nok, overskrider de to dele den afstand inden for hvilken kernekraften kan holde dem sammen og når det sker frigøres de fra hinanden. De drives derefter længere væk fra hinanden af de frastødende elektriske kræfter. En lignende proces sker i fissionerbare isotoper (som uran-238), men for at fissionere, kræver disse isotoper yderligere energi som leveres af hurtige neutroner. (som f.eks. dem der frembringes ved kernefusion i termonukleare våben).
Dråbemodellen for atomkernen forudsiger lige store fissions-produkter som resultat af kernedeformation. Den mere omfattende skal-model er nødvendig for at forklare vejen til det energetisk mere favorable resultat, i hvilket det ene fissions-produkt er lidt mindre end det andet. En teori for fission baseret på skal-modellen er blevet formuleret af Maria Goeppert-Mayer.
Den mest almindelige fissions-proces er binær fission, og den frembringer de fissions-produkter omtalt ovenfor, ved 95±15 og 135±15 u. Den binære proces er den mest sandsynlige. I alt mellem 2 til 4 fissioner per 1000 i en kerne-reaktor, sker en proces kaldet terniær fission, som frembringer tre positivt ladede brudstykker (plus neutroner) og de mindste af disse kan variere fra en proton (Z=1), til argon (Z=18). De mest almindelige brudstykker er imidlertid sammensat af 90% helium-4 kerner med mere energi end alfa partikler fra alfa henfald (såkaldt "langtrækkende alfa" med energi ~ 16 MeV), plus helium-6 kerner, og tritium-kerner. Den terniære proces er sjældnere, men ender alligevel med at frembringe betydelig helium-4 og tritium gas ophobning i brændsels-stængerne i moderne kerne-reaktorer.S. Vermote, et al. (2008) "Comparative study of the ternary particle emission in 243-Cm (nth,f) and 244-Cm(SF)" in Dynamical aspects of nuclear fission: proceedings of the 6th International Conference. J. Kliman, M. G. Itkis, S. Gmuca (eds.). World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. Singapore. .
Energiforhold
Input right|thumb|275x275px|Trinene i en binær fission i en flydende dråbe model. Energi input deformerer kernen til en tyk "cigar" form, så en "peanut" form, fulgt af binær fission, idet de to dele overskrider rækkevidden for den kortrækkende kernekraft, hvorefter de skubbes væk af deres elektriske ladning. I dråbemodellen forudsiges de to fragmenter at have samme størrelse Skalmodellen tillader dem at have forskellig størrelse, som det normalt observeres eksperimentelt. Fissionen af en tung kerne kræver en total input-energi mellem 7 og 8 millioner elektron volt (MeV) for indledningsvis at overvinde kernekraften som holder kernen kugleformet eller nær kugleformet, og derfra deformere den til en todelt "peanut" form. Når den er nået dertil vil de positive ladninger i hver halvdel frastøde hinanden og fortsætte adskillelsen, i den mest almindelige binære fission, hvor produktet er 2 positivt ladede brudstykker og neutroner. Når først de to halvdele er kommet tilstrækkeligt langt fra hinanden, kan den stærke kernekraft som har kort rækkevidde ikke længere holde dem sammen og den langtrækkende elektromagnetiske frastødning adskiller dem.
Omkring 6 MeV af input energien leveres ved bindingen af en ekstra neutron til den tunge kerne med den stærke kernekraft; i mange isotoper er dette dog ikke nok til at fremkalde fission. Uran-238, f.eks., har næsten 0 fissions-tværsnit for neutroner med mindre end 1 MeV energi. Hvis der ikke tilføres yderligere energi ved en anden mekanisme, sker der ingen fission og neutronen bliver bare absorberet. Det er dette der sker når U-238 absorberer langsomme og endda en del hurtige neutroner og bliver til U-239. Den resterende energi der skal bruges til at starte fission kan tilvejebringes ved 2 andre mekanismer: den ene er at den indkommende neutron har større kinetisk energi, idet muligheden for at starte fission vokser med kinetiske energier over 1 MeV. Neutroner med kinetisk energi over 1 MeV kaldes ofte hurtige neutroner. Sådanne hurtige neutroner kan fissionere U-238 direkte (se termonukleare våben for anvendelser, hvor de hurtige neutroner skabes ved kernefusion). Denne proces kan dog ikke ske i stor udstrækning i en kernereaktor, da for lille en brøkdel af neutroner frembragt ved fission har nok energi til effektivt at fissionere U-238. (neutroner frembragt ved fission har en median energi på kun 0.75 MeV, det betyder at halvdelen af dem har mindre end denne utilstrækkelige energi).J. Byrne (2011) Neutrons, Nuclei, and Matter, Dover Publications, Mineola, NY, p. 259, .
Iblandt de tunge actinider, kan de isotoper der har et ulige antal af neutroner (som U-235 med 143 neutroner) binde en ekstra neutron med en yderligere energi på 1 to 2 MeV sammenlignet med en isotop af samme grundstof med et lige antal neutroner (som U-238 med 146 neutroner). Denne ekstra bindingsenergi er til rådighed som et resultat af neutron-parrings-effekter. Det er Paulis udelukkelsesprincip som muliggør at en ekstra neutron kan befolke den samme orbital som den sidste neutron i kernen, de to kommer til at udgøre et par. I sådanne isotoper behøves der derfor ikke kinetisk energi af neutronerne, alt den nødvendige energi leveres af absorptionen af en neutron, langsom eller hurtig. Langsomme neutroner bruges i modererede reaktorer, hurtige neutroner bruges i hurtig neutron reaktorer og våben. Som bemærket herover, kaldes den undergruppe af fissionerbare grundstoffer der kan fissioneres effektivt med deres egne fissions neutroner for fissile. Eksempler på fissile isotoper er U-235 og plutonium-239.
Output