fissio

Fissio on ydinfysiikassa reaktio, ilmiö, jossa raskaan atomin ydin hajoaa kahdeksi pienemmäksi ytimeksi, jolloin myös vapautuu energiaa. Se on sukua fuusioreaktiolle, jossa taas kevyet atomien ytimet yhdistetään raskaammaksi.

Monissa aineissa atomiytimien hajoamisia tapahtuu luonnostaan hitaasti kaiken aikaa. Tällaisiä aineita kutsutaan radioaktiiviseksi. Yleensä raskaistakin ytimistä kuitenkin irtoaa vain pieni osanen kuten alfahiukkanen. Mutta jotkin raskaat atomiytimet, esimerkiksi uraani-235-atomin 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 voi fissoitua esimerkiksi seuraavasti: ²³⁵₉₂U + ¹₀n ⇒ ⁹²₃₆Kr + ¹⁴¹₅₆Ba + 3 ¹₀n. Syntyvät fissiotuotteet voivat olla muitakin, joiden 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.

Ketjureaktio johtuu siitä, että spontaanissa fissiossa ytimestä vapautuu 1–5 (keskimäärin kolme) 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. kiina-ilmiön. 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 äärimmäisen nopeasti jolloin lyhyessä ajassa ehtii vapautua erittäin suuria määriä energiaa. Fissiossa vapautuva energia on laskettavissa kaavalla E=mc².

Fissiossa käytetyt polttoaineet

Sähköntuotannossa käytetään uraanin isotooppia ²³⁵U, koska se on ainoa luonnossa esiintyvä isotooppi, jolla saadaan aikaan fissioiden ketjureaktio termisillä neutroneilla. Fissiokelpoista ²³⁵U-isotooppia esiintyy luonnon uraanissa ainoastaan 0,7 %; loput ovat ²³⁸U-isotooppia. Fissiossa voidaan käyttää myös muita uraanin keinotekoisia isotooppeja, kuten ²³⁹U ja myös plutoniumin keinotekoisia isotooppeja, kuten ²³⁹Pu ja ²³⁵Pu.