Fissio

Fissio on ilmiö tai ydinfysiikan reaktio, jossa raskaan atomin ydin hajoaa kahdeksi tai useammaksi pienemmäksi tytärytimeksi ja vapautuu energiaa (ja muita hiukkasia). Energia on ns. sidosenergiaa, sen määrä vastaa lähtöytimen ja tytärydinten välistä massavajetta. Fissiolle vastakkainen reaktio on fuusio, jossa taas kevyet atomien ytimet fuusioituvat raskaammaksi ytimeksi.^[1]

Monissa aineissa atomiytimien hajoamisia tapahtuu luonnostaan hitaasti kaiken aikaa. Tällaisia aineita kutsutaan radioaktiiviseksi. Yleensä raskaistakin ytimistä kuitenkin irtoaa vain pieni osanen kuten alfahiukkanen. Jotkin raskaat atomiytimet (esim. uraani-235:n) ydin, voivat myös hajota spontaanisti suunnilleen keskeltä kahtia kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi, jolloin samalla vapautuu neutroneja. Ilmiötä sanotaan spontaaniksi fissioksi. Kuitenkin myös U-235-atomeista paljon pienempi osa fissioituu spontaanisti kuin hajoaa alfahajoamisella. Tietyissä olosuhteissa tällainen ytimien hajoaminen aiheuttaa kuitenkin vuorostaan yhä useampia uusia hajoamisia, jolloin syntyy ketjureaktio.

Fissiolle ei voi esittää yhtä yksiselitteistä reaktioyhtälöä, vaan se voi tapahtua monella tavalla. Kun U-235-ytimeen osuu neutroni, se virittyy uraani-236:ksi, joka hajoaa edelleen ja voi fissioitua esimerkiksi seuraavasti: ²³⁵₉₂U + ¹₀n ⇒ ⁹²₃₆Kr + ¹⁴¹₅₆Ba + 3 ¹₀n. Syntyvät fissiotuotteet voivat olla muitakin kuin krypton (Kr) ja barium (Ba), kunhan niiden massalukujen summa vapautuvat neutronit mukaan luettuina on 236 ja järjestyslukujen summa 92. Fissiotuotteina syntyvät ytimet ovat yleensä beeta-aktiivisia, joten ne muuttuvat vähitellen toisiksi nuklideiksi, joilla on sama massaluku mutta korkeampi järjestysluku. Useimmat fissiotuotteista ovat varsin lyhytikäisiä, mutta esimerkiksi cesium-137:n ja strontium-90:n puoliintumisajat ovat kymmeniä vuosia.

Otto Hahn ja Fritz Strassmann havaitsivat ensimmäisinä vuonna 1939, että uraanin pommittaminen neutroneilla tuottaa todellakin alkuaine bariumia, eikä vain jotain jolla on samankaltaisia kemiallisia ominaisuuksia. Tämän perusteella Lise Meitner ja Otto Frisch esittivät samana vuonna, että uraaniydin halkeaa kahteen lähes yhtä suureen osaan. Termi fissio on lainattu biologian solunjakautumista koskevasta käsitteestä.^[2][3]

Ketjureaktio johtuu siitä, että spontaanissa fissiossa ytimestä vapautuu 1–5 (luonnon uraanille keskimäärin 2,5^[4]) vapaata neutronia. Neutronien osuessa uusiin ytimiin, halkeavat ne myös vapauttaen lisää vapaita neutroneja ja runsaasti energiaa sekä lämmön että gammasäteilyn muodossa. Jos fissiokelpoista ainetta on vähän, suurin osa neutroneista joutuu kappaleen ulkopuolelle eikä saa aikaan uusia fissioita. Mutta jos sellaista ainetta on riittävästi, kriittistä massaa suurempi määrä, ketjureaktio jatkuu yhä useamman ytimen haljetessa niin, että voi tapahtua jopa ydinräjähdys.

Ydinvoimaloiden sähköntuotanto perustuu tällaisesta ketjureaktiosta saadun lämpöenergian hyväksikäyttöön hallituissa olosuhteissa. Jos ketjureaktio pääsee jostain syystä kiihtymään liiaksi, lämmöntuotanto kasvaa hyvin nopeasti. Tehon hallitsematon nousu on kaupallisessa energiantuotannossa käytetyissä kevytvesireaktoreissa estetty perustavanlaatuisilla luonnollisilla takaisinkytkennöillä siten, että lämpötilan nousu hidastaa välittömästi ketjureaktiota ja teho pienenee. Reaktorin jäähdytyksen menettäminen kuitenkin saattaa pahimmillaan aiheuttaa ydinvoimalan reaktorisydämen sulamisen, eli ns. sydämen sulamisonnettomuus. Syynä tähän on jälkilämpö, jota fissioissa syntyneiden kevyempien ytimien beetahajoaminen ja gammasäteily tuottavat ketjureaktion sammuttamisen jälkeen merkittäviä määriä 1–2 vuorokauden ajan. Jäähdytysvesikierron estyminen voi tällöin aiheuttaa sydämen ylikuumenemisen ja vaurioitumisen. Jäähdytysveden saatavuuden turvaaminen kaikissa olosuhteissa onkin yksi nykyaikaisten tehoreaktorien pääsuunnitteluperusteista.

Fissioon pohjautuvat ydinaseet ovat erityistapaus. Niissä fissio-olosuhteita eli reaktiivisuutta nostetaan hyvin nopeasti jolloin lyhyessä ajassa ehtii vapautua erittäin suuria määriä energiaa.^[5] Ytimen sidosenergia voidaan laskea Einsteinin yhtälöstä E=mc², missä ${\displaystyle m}$ on massavaje.^[6] Fission tuottama energia voidaan tämän perusteella arvioida seuraavasti: uraanin sidosenergia per nukleoni on 7,6 MeV kun taas fission lopputuotteilla (massaluvut A=90–150) se on noin 8,5 MeV. Siispä fissioreaktiossa vapautuu energiaa noin 236·(8,5–7,6)=200 MeV mikä on paljon enemmän kuin missään kemiallisessa reaktiossa.^[7]