200px|thumb|Un neutron termic este absorbit de un nucleu de uraniu-235, care fisionează în alte elemente mai ușoare și neutroni rapizi.
Fisiunea este o reacție nucleară care are drept efect ruperea nucleului în două fragmente de masă aproximativ egală, neutroni rapizi, radiații și energie termică.
Radioizotopii care fisionează cu neutroni termici, se numesc materiale fisile. Ex. 233U, 235U, 239Pu, 241Pu. Radioizotopii care fisionează cu neutroni rapizi, se numesc materiale fisionabile iar, cele care prin captură de neutroni se transformă în materiale fisile, sunt considerate materiale fertile. Ex. 232Th, 238U.
Ex. fisiune 235U:
Energia de fisiune se repartizeaza, ca energie cinetica fragmentelor de fisiune, comportandu-se ca particule cu parcurs mic.
Neutronii rezultați din fisiuni se încadrează în două grupe: prompți și întârziați. Cei prompți sunt eliberați odată cu fragmentele de fisiune (FF) (chiar de către FF, după 10-14s) și au energii de max. 6 MeV, energia probabila fiind de 0,85 MeV. Simultan se emite radiația γ promptă. Neutronii întârziați sunt emiși ca produși de dezexcitare a unor nuclee care apar ca urmare a dezintegrării β- a FF.
Fisiunea nucleară, cunoscută și sub denumirea de fisiune atomică, este un proces în care nucleul unui atom se rupe în două sau mai multe nuclee mai mici, numite produși de fisiune și, în mod uzual, un număr oarecare de particule individuale. Așadar, fisiunea este o formă de transmutație elementară. Particulele individuale pot fi neutroni, fotoni (uzual sub formă de raze gamma) și alte fragmente nucleare cum ar fi particulele beta și particulele alfa. Fisiunea elementelor grele este o reacție exotermică și poate să elibereze cantități substanțiale de energie sub formă de radiații gamma și energie cinetică a fragmentelor (încălzind volumul de material în care fisiunea are loc).
Fisiunea nucleară este folosită pentru a produce energie în centrale de putere și pentru explozii în armele nucleare. Fisiunea este utilă ca sursă de putere deoarece unele materiale, numite combustibil nuclear, pe de o parte generează neutroni ca „jucători” ai procesului de fisiune și, pe de altă parte, li se inițiază fisiunea la impactul cu (exact acești) neutroni liberi. Combustibilii nucleari pot fi utilizați în reacții nucleare în lanț auto-întreținute, care eliberează energie în cantități controlate într-un reactor nuclear sau în cantități necontrolate, foarte rapid, într-o armă nucleară.
Cantitatea de energie liberă conținută într-un combustibil nuclear este de milioane de ori mai mare decât energia liberă conținută într-o masă similară de combustibil chimic (benzină, de exemplu), acest lucru făcând fisiunea nucleară o sursă foarte tentantă de energie; totuși produsele secundare ale fisiunii nucleare sunt puternic radioactive, putând rămâne astfel chiar și pentru mii de ani, având de a face cu importantă problemă a deșeurilor radioactive. Preocupările privind acumularea deșeurilor și imensul potențial distructiv al armelor nucleare contrabalansează calitățile dezirabile ale fisiunii ca sursă de energie, fapt ce dă naștere la intense dezbateri politice asupra problemei puterii nucleare.
Aspecte fizice Fisiunea nucleară diferă de alte forme de dezintegrare radioactivă prin aceea că ea poate fi amorsată și controlată pe calea reacției în lanț: neutroni liberi eliberați de fiecare eveniment de fisiune pot declanșa în continuare alte evenimente care, la rândul lor eliberează mai mulți neutroni și pot determina mai multe fisiuni. Izotopii chimici care pot să susțină o reacție de fisiune în lanț se numesc combustibili nucleari și se spune că sunt fisili. Cel mai comun combustibil nuclear este 235U (izotopul uraniului cu masa atomică 235) și 239Pu (izotopul plutoniului cu masa atomică 239). Acești combustibili se sparg în elemente chimice (produși de fisiune) cu mase atomice apropiate de 100. Majoritatea combustibililor nucleari suferă fisiuni spontane extrem de rar, dezintegrându-se în principal prin reacții alfa/beta timp de milenii. Într-un reactor nuclear sau o armă nucleară, cele mai multe evenimente de fisiune sunt induse prin bombardament cu alte particule cum ar fi neutronii.
Evenimentele tipice de fisiune eliberează câteva sute de MeV de energie pentru fiecare atom fisionat, acesta fiind și motivul pentru care fisiunea nucleară este folosită ca sursă de energie. Prin contrast, cele mai multe reacții chimice de oxidare (cum ar fi arderea cărbunelui sau TNT) eliberează, în general, câteva zeci de eV per eveniment, astfel încât combustibilul nuclear conține cel puțin de zece milioane de ori mai multă energie utilizabilă decât combustibilul chimic. Energia fisiunii nucleare este eliberată ca energie cinetică a produșilor și fragmentelor de fisiune și ca radiație electromagnetică sub formă de raze gamma; într-un reactor nuclear energia este convertită în căldură prin ciocnirea acestor particulelor și radiații cu atomii reactorului și ai fluidului de lucru: apă sau apă grea.
Fisiunea nucleară a elementelor grele produce energie deoarece energia de legătură (energia de legătură pe unitatea de masă) a nucleelor cu numere și mase atomice aflate între 61Ni și 56Fe este mai mare decât energia specifică a nucleelor foarte grele, astfel încât energia este eliberată atunci când nucleele grele sunt sparte în bucăți.
Masa totală a produșilor de fisiune (Mp) dintr-o singură reacție, după disiparea energiei lor cinetice, este mai mică decât masa inițială a nucleelor combustibile. Excesul de masă Δm este asociat cu energia eliberată folosind relația lui Einstein E = Δmc2. Prin comparație, și energia specifică de legătură a multor elemente ușoare (de la hidrogen până la magneziu) este de asemenea semnificativ mică, astfel încât dacă aceste elemente ușoare ar suferi o reacție de fuziune (opusă fisiunii), procesul ar fi de asemenea exotermic, cu eliberare de energie.
Variația energiei specifice de legătură cu numărul atomic este datorată interacțiunii a două forțe fundamentale ce acționează asupra nucleonilor ce formează nucleul: protoni și neutroni. Nucleonii sunt legați printr-o forță nucleară tare, atractivă, care contrabalansează repulsia electrostatică dintre protoni. Totuși forța nucleară tare acționează numai pe distanțe extrem de scurte, întrucât se supun potențialului Yukawa. Din această cauză nucleele mari sunt mai slab legate per unitatea de masă decât nucleele mici și spargerea unui nucleu mare în două sau mai multe nuclee cu dimensiuni intermediare eliberează energie. În practică, cea mai mare parte a acestei energii apare ca energie cinetică întrucât nuclee rezultate se resping și se îndepărtează unele de altele cu viteză foarte mare.
În evenimentele de fisiune nucleară, nucleele se pot sparge în orice combinație de nuclee mai ușoare, dar cel mai comun eveniment este spargerea în nuclee de mase aproximativ egale, în jur de 120; funcție de izotopi și proces, cel mai comun eveniment este fisiune asimetrică în care un nucleu rezultat are o masă de aproximativ 90 – 100 uam (unități atomice de masă) și celălalt nucleu de aproximativ 130 – 140 uam.
Deoarece forțele nucleare tari acționează pe distanțe mici, nucleele mari trebuie să conțină proporțional mai mulți neutroni decât elementele ușoare, care sunt mult mai stabile cu un raport proton/neutron de 1:1. Neutronii suplimentari stabilizează elementele grele deoarece ele adaugă forță de legătură tare fără a se compune cu forța de repulsie proton-proton. Produșii de fisiune au, în medie, aproximativ același raport de neutroni și protoni ca și nucleul „părinte” și de aceea sunt în mod normal instabile (deoarece au în mod proporțional prea mulți neutroni în comparație cu izotopii stabili de mase similare). Aceasta este cauza fundamentală a problemei deșeurile înalt radioactive din reactori nucleari. Produșii de fisiune tind să fie emițători beta, eliberând electroni rapizi în vederea conservării sarcinii electrice în urma transformării neutronilor excedentari în protoni, în interiorul nucleului produsului de fisiune.
Cei mai comuni combustibili nucleari, 235U și 239Pu nu sunt periculoși radiologic prin ei înșiși: 235U are timpul de înjumătățire de aproximativ 700 milioane de ani, evenimentele spontane de dezintegrare fiind extrem de rare; chiar dacă 239Pu are timpul de înjumătățire de aproape 24.000 ani, el este un emițător de particule alfa și, deci, nepericulos atâta timp cât nu este ingerat. După „arderea” combustibilului nuclear, materialul combustibil rămas este intim mixat cu produși de fisiune puternic radioactivi care emit particule beta energetice și radiații gamma. Unii produși de fisiune au timpi de înjumătățire de ordinul secundelor; alții au timpi de înjumătățire de ordinul zecilor sau sutelor de ani, cerând facilități deosebite de stocare până la dezintegrarea lor în produși stabili neradioactivi.
Fisiune spontană și fisiunea indusă; reacții în lanț
Multe elemente grele, cum ar fi uraniu, thoriu și plutoniu, suferă ambele tipuri de fisiuni: fisiunea spontană, ca o formă a dezintegrării radioactive și fisiunea indusă, o formă a reacției nucleare. Izotopii elementari fisionează când sunt loviți de un neutron liber (rapid) se numesc fisionabili; izotopii care fisionează când sunt loviți cu neutroni lenți (neutroni termici) sunt numiți fisili. Câțiva fisili particulari și izotopii ușor de obținut (ca 235U și 239Pu) se numesc combustibili nucleari deoarece ei pot să susțină o reacție în lanț și pot fi obținuți în cantități destul de mari pentru a fi utilizați.
Toți izotopii fisionabili și fisili suferă și un număr mic de fisiuni spontane care eliberează un număr mic de neutroni liberi (rapizi) în interiorul eșantionului de combustibil nuclear. Neutronii emiși rapid din combustibil devin neutroni liberi, cu un timp de înjumătățire de aproape 15 minute înainte să se dezintegreze în protoni și radiații beta. În mod normal, neutronii se ciocnesc cu și sunt absorbiți de către alte nuclee din vecinătate înainte ca dezintegrarea lor să se realizeze. Totuși, unii neutroni vor lovi nuclee combustibile și vor induce următoarele fisiuni, eliberându-se astfel mai mulți neutroni. Dacă se dispune de o cantitate (concentrare) suficientă de combustibil nuclear, sau dacă numărul de neutronii eliberați este suficient de mare, atunci neutronii proaspăt emiși sunt mai mulți decât neutronii pierduți din material și poate să aibă loc întreținerea unei reacții nucleare în lanț.
Concentrația de combustibil care permite menținerea unei reacții nucleare în lanț se numește concentrație critică; dacă concentrarea de material este formată în totalitate de nuclee de combustibil avem de a face cu masa critică. Cuvântul „critic” se referă la extremul unei ecuații diferențiale care guvernează numărul de neutroni liberi prezenți în combustibil; dacă sunt mai puțini decât masa critică, atunci numărul de neutroni este determinat de dezintegrarea radioactivă; dar dacă sunt mai mulți neutroni sau cel puțin masa critică, atunci numărul neutronilor este controlat mai degrabă de fizica reacției în lanț. Valoarea masei critice a unui combustibil nuclear depinde puternic de geometrie și materialele ambiante (înconjurătoare).
Nu toți izotopii fisionabili pot susține o reacție în lanț. De exemplu, 238U, cel mai abundent al uraniului, este fisionabil dar nu fisil: el suferă fisiuni induse când este lovit de un neutron energetic cu o energie cinetică de peste 1 MeV . Dar prea puțini neutroni produși de fisiunea 238U sunt suficient de energetici pentru a induce o următoare fisiune în 238U, astfel încât nu este posibilă o reacție în lanț pentru acest izotop. În schimb, bombardând 238U cu neutroni termici există posibilitatea ca aceștia să fie absorbiți, obținându-se 239U, izotop care se dezintegrează prin emisie beta către 239Pu; acest proces este folosit pentru a obține 239Pu în reactori reproducători, dar nu contribuie la reacția nucleară în lanț.