Fission

Schematisk bild av en fissionsprocess. uranatom bombarderas med en neutron mot den klyvningsbara atomkärnan. Kärnan blir då instabil, vilket leder till att atomkärnan går i bitar.

Fission ([av latin: fissio "klyvning"), även kärnklyvning, är inom kärnfysiken och kärnkemin klyvningen av atomkärnor. Processen kan ske spontant eller framkallas.

Vid fission frigörs energi, vilket under vissa förutsättningar leder till en kedjereaktion där enorma energimängder frisätts i form av värme, partikelstrålning och elektromagnetisk strålning. Sådana kedjereaktioner ligger till grund för kärntekniken.

Fission utnyttjas så i kärnkraftverk och kärnvapen. Motsatsen till fission är fusion, sammanslagning av atomkärnor.

Fysikalisk bakgrund

Atomkärnan hålls samman av den starka kärnkraften, som motverkar den elektriska repulsionen mellan de positivt laddade protonerna. I vätskedroppmodellen beskrivs hur en exciterad kärna kan deformeras och förlängas tills den elektriska repulsionen mellan kärnans delar övervinner de krafter som håller samman kärnan. Vid fission får de mindre kärnorna större bindningsenergi per nukleon, vilket innebär att nukleonerna binds starkare än i den ursprungliga tunga kärnan. Den frigjorda energin motsvarar skillnaden i sammanlagd vilomassa före och efter reaktionen enligt E=Δmc2, där c är ljushastigheten.

Vid fission bildas nya, mindre atomkärnor, och stora mängder energi frigörs som rörelseenergi hos klyvningsprodukterna samt gammastrålning. Merparten av energin finns i klyvningsprodukternas rörelse, men också de frigjorda neutronerna bär med sig rörelseenergi. När denna rörelseenergi och strålning sprids i omgivande gods, genom att partiklarna krockar med omkringliggande atomer, innebär det att värmen stiger.

Vid klyvning av uran-235 med långsamma neutroner frigörs i genomsnitt omkring 200 MeV. Vilka kärnfragment som bildas och hur mycket energi som frigörs varierar mellan olika klyvningar. En möjlig sådan process är:

235U + 1 neutron → 236U → 92Kr + 141Ba + 3 neutroner + energi

Former av fission

Atomkärnan hos vissa isotoper av grundämnen som plutonium och uran kan om de bombarderas med neutroner fånga in en neutron och därigenom bli så instabila att de klyvs. Denna process kallas inducerad fission och innebär att energi tillförs när kärnan absorberar en partikel utifrån. Den infångade partikeln är vanligen en neutron, men även andra partiklar kan utlösa processen. Vissa isotoper kan klyvas även av långsamma neutroner, medan andra kräver neutroner med högre energi.

Fission kan också ske spontant, utan att kärnan först träffas av någon partikel utifrån, och kallas då spontan fission. Detta förekommer bland annat hos uran-238.

Kedjereaktioner

I processen frigörs neutroner som i sin tur kan klyva fler atomkärnor och därigenom hålla igång en kedjereaktion. En del neutroner lämnar materialet eller fångas in utan att orsaka fission. Om varje klyvning i genomsnitt orsakar en ny klyvning är systemet kritiskt och reaktionen fortgår med konstant intensitet. Ger varje klyvning färre eller fler nya klyvningar är systemet underkritiskt respektive överkritiskt, och reaktionen avtar respektive tilltar.

Moderatorer som vatten eller grafit används i många reaktorer för att sänka hastigheten på neutronerna och därmed underlätta nya klyvningar. Vid behov bromsas kedjereaktionen med styrstavar som absorberar neutroner och därmed minskar antalet klyvningar. De flesta neutroner avges nästan omedelbart vid klyvningen. En liten andel avges först när vissa klyvningsprodukter sönderfaller och kallas därför fördröjda neutroner. De förlänger den genomsnittliga tiden mellan generationerna av neutroner och gör därmed att reaktorns styrsystem får tid att reglera effekten.

Klyvningsprodukter

Klyvningsprodukterna från fissionen blir i reaktionsexemplet ovan krypton-92 och barium-141. Andra klyvningsprodukter kan vara 131I (Jod-131), 137Cs (Cesium-137) och 90Sr (Strontium-90). Flera av restprodukterna som bildas vid fission är radioaktiva, vissa i tusentals år.

De nybildade kärnorna har ofta ett överskott av neutroner och kan genom flera betasönderfall omvandlas till stabilare kärnor. Vid sådana sönderfall omvandlas en neutron till en proton och en elektron sänds ut. Även de nuklider som bildas genom klyvningsprodukternas radioaktiva sönderfall brukar räknas till klyvningsprodukterna. I en reaktor ger sönderfallen upphov till resteffekt, vilket gör att bränslet behöver kylas även efter att kedjereaktionen har stoppats.

Tillämpningar

Fördjupning: Kärnkraft och Kärnvapen
Schematisk bild över en kokvattenreaktor.

Isotoper som ofta används i kärnkraftverk och vid kärnvapentillverkning är uran-235 och plutonium-239.

Vissa typer av kärnvapen bygger på en okontrollerad fissionär kedjereaktion. I vätebomber kan en fissionssprängladdning användas för att utlösa en fusionsreaktion.

Atomklyvningen i kärnkraftverk är till skillnad från den i kärnvapen kontrollerad. Kärnbränslet kan vara inneslutet i bränslestavar ihopsatta i knippen. Den frigjorda energin samlas i kylvatten i form av värme. Ur värmen hämtas rörelseenergi som driver turbiner och generatorer.

Fission används även i forskningsreaktorer, som tillhandahåller neutroner för vetenskapliga undersökningar och produktion av radioisotoper. Neutronstrålar kan exempelvis användas för att undersöka materials atomära struktur och magnetiska egenskaper. Reaktorerna används också vid utbildning av studenter och personal inom kärntekniken. Genom klyvning av uran kan exempelvis molybden-99 framställas; dess sönderfallsprodukt teknetium-99m används vid medicinska undersökningar för att diagnostisera sjukdomar i bland annat lungorna, hjärtat och skelettet.

Upptäckt

Fissionens upptäckt föregicks av Enrico Fermis försök med neutronbestrålning av uran 1934. I december 1938 visade Otto Hahn och Fritz Strassmann vid Kaiser Wilhelm-institutet för kemi i Berlin att sådana försök gav upphov till radioaktiva bariumisotoper. Fyndet var oväntat, eftersom forskarna hade sökt efter grundämnen tyngre än uran bland reaktionsprodukterna. Resultaten publicerades den 6 januari 1939 i tidskriften Die Naturwissenschaften.

Lise Meitner, som befann sig i exil i Sverige, och Otto Frisch tolkade resultaten som att urankärnan hade kluvits. Med hjälp av vätskedroppmodellen förklarade de hur kärnan kunde delas och frigöra stora mängder energi. Under januari 1939 bekräftades fission experimentellt av Frisch och även av andra forskargrupper, bland annat i Paris och New York. Meitners och Frischs förklaring publicerades i Nature den 11 februari 1939, och Frisch införde benämningen fission.

Den 2 december 1942 åstadkom en grupp under Fermis ledning den första kontrollerade, självbärande kedjereaktionen i försöksreaktorn Chicago Pile-1 vid University of Chicago.

Se även

Referenser

  1. ”ISO 12749-5:2026: Nuclear energy, nuclear technologies, and radiological protection – Vocabulary – Part 5: Nuclear reactors” (på engelska). International Organization for Standardization. https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:12749:-5:ed-2:v1:en. Läst 6 november 2026.
    1. ↑ avsnitt 3.2.1–3.2.3.
    2. 1 2 avsnitt 3.2.2.
    3. ↑ avsnitt 3.2.4 och 3.2.16.
    4. ↑ avsnitt 3.2.3.
  2. Ane Håkansson; Thomas Jonter (1 juni 2007). ”Icke-spridning och kärnämneskontroll (SKI Rapport 2007:45)”. Statens kärnkraftinspektion. https://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/contentassets/78fb53b77f99433e83c84326c3c35499/200745-icke-spridning-och-karnamneskontroll. Läst 6 november 2026.
    1. ↑ s. 85–86.
    2. ↑ s. 87–88.
    3. 1 2 3 s. 88.
    4. ↑ s. 88–89.
    5. ↑ s. 14.
    6. ↑ s. 15.
  3. ”DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory, Volume 1 of 2 (DOE-HDBK-1019/1-93)” (på engelska). U.S. Department of Energy. 1 januari 1993. https://www.energy.gov/sites/default/files/2026-04/DOE-HDBK-1019-93_VOL1.pdf. Läst 6 november 2026.
    1. ↑ modul 1, s. 49–50.
    2. ↑ modul 1, s. 59.
    3. ↑ modul 1, s. 61.
    4. 1 2 modul 1, s. 62.
    5. 1 2 modul 1, s. 60.
    6. ↑ modul 2, s. 29–30.
    7. ↑ modul 2, s. 31.
    8. ↑ modul 1, s. 14.
    9. ↑ modul 1, s. 24.
  4. 1 2 3 4 5 6 ”10.5 Fission – University Physics Volume 3” (på engelska). OpenStax. https://openstax.org/books/university-physics-volume-3/pages/10-5-fission. Läst 6 november 2026.
    1. ↑ exempel 10.9.
  5. Ellenberger, Bengt; Hasselqvist, Per Johan; Lång, Öjevind; Nyqvist, Per; Tunek, Viveka (2009). Hammarström, Stina. red. Allt du behöver veta för att överleva i det 21:a århundradet. Italien: Prisma. ISBN 978-91-518-5098-6
    1. 1 2 3 sid. 151.
    2. 1 2 sid. 173.
  6. ↑ ”Ordlista kärnkraft: M-P”. Strålsäkerhetsmyndigheten. https://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/omraden/karnkraft/ordlista-karnkraft/m-p/. Läst 6 november 2026.
  7. ↑ ”Ordlista kärnkraft: Q-T”. Strålsäkerhetsmyndigheten. https://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/omraden/karnkraft/ordlista-karnkraft/q-t/. Läst 6 november 2026.
  8. ↑ ”Products in Nuclear Reactors” (på engelska). Ministry of the Environment, Government of Japan. 31 mars 2019. https://www.env.go.jp/en/chemi/rhm/basic-info/2023/02-02-03.html. Läst 6 november 2026.
  9. ↑ ”Radionuclide Basics: Iodine” (på engelska). United States Environmental Protection Agency. https://www.epa.gov/radiation/radionuclide-basics-iodine. Läst 6 november 2026.
  10. ↑ ”Fission products” (på engelska). U.S. Nuclear Regulatory Commission. https://www.nrc.gov/education-regulatory-research/glossary/fission-products. Läst 6 november 2026.
  11. ↑ ”Ordlista kärnkraft: A-D”. Strålsäkerhetsmyndigheten. https://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/omraden/karnkraft/ordlista-karnkraft/a-j/. Läst 7 november 2026.
  12. ”Applications of Research Reactors (IAEA Nuclear Energy Series No. NP-T-5.3)” (på engelska). International Atomic Energy Agency. https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1627_web.pdf. Läst 7 november 2026.
    1. 1 2 s. 1.
    2. ↑ avsnitt 9.2.
  13. ↑ ”Radioisotopes for diagnostics” (på engelska). Technische Universität München, Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz. https://www.frm2.tum.de/en/frm2/medicine/radioisotopes-for-diagnostics/. Läst 7 november 2026.
  14. 1 2 3 4 5 6 7 ”The Discovery of Nuclear Fission” (på engelska). Max Planck Institute for Chemistry. https://www.mpic.de/4469988/die-entdeckung-der-kernspaltung. Läst 7 november 2026.
  15. ↑ ”Discovery of Fission – Moments of Discovery” (på engelska). American Institute of Physics. https://history.aip.org/exhibits/mod/fission/fission2/07.html. Läst 7 november 2026.
  16. ↑ ”7 Moments in December that Changed Nuclear Energy History” (på engelska). U.S. Department of Energy. 20 december 2023. https://www.energy.gov/ne/articles/7-moments-december-changed-nuclear-energy-history. Läst 7 november 2026.

Externa länkar

v • r
Kärnkraft
Vetenskap
Bränsle
Generation
Reaktorer
Politik
Miljö, säkerhet, olyckor
Kärnkraftverk · Kärnvapen