Avaa päävalikko

Muutokset

1 149 merkkiä lisätty ,  1 vuosi sitten
+historiaa, lähteitä
[[Kuva:Nuclear_fission.svg|230px|thumb|Fissioreaktio, jossa U<sup>235</sup> halkeaa termisen neutronin osuttua siihen. Lopputuotteina syntyvät [[krypton]]in ja [[barium]]in isotoopit Kr<sup>92</sup>Kr ja Ba<sup>141</sup>Ba.]]
__NOTOC__
'''Fissio''' on ilmiö tai [[Fysiikka|ydinfysiikan]] reaktio, jossa raskaan [[atomi]]n [[atomiydin|ydin]] hajoaa kahdeksi tai useammaksi pienemmäksi tytärytimeksi ja samalla vapautuu [[energia]]a (ja muita hiukkasia). Energia on ns. [[Sidosenergia|sidosenergiaa]], sen määrä vastaa lähtöytimen ja tytärydinten välistä [[Massavaje|massavajetta]]. Fissiolle vastakkainen reaktio on fuusio, jossa taas kevyet [[atomi]]en [[atomiydin|ytimet]] fuusioituvat raskaammaksi ytimeksi.
 
Monissa aineissa atomiytimien hajoamisia tapahtuu luonnostaan hitaasti kaiken aikaa. Tällaisiä aineita kutsutaan [[radioaktiivisuus|radioaktiiviseksi]]. Yleensä raskaistakin ytimistä kuitenkin irtoaa vain pieni osanen kuten [[alfahiukkanen]]. Jotkin raskaat atomiytimet, esimerkiksi [[uraani-235]]-neutronin ydin, voivat myös hajota spontaanisti suunnilleen keskeltä kahtia kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi, jolloin samalla vapautuu [[neutroni|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 (fysiikka)|ketjureaktio]].
 
Fissiolle ei voi esittää yhtä yksiselitteistä [[reaktioyhtälö]]ä, vaan se voi tapahtua monella tavalla. Kun U-235-ytimeen osuu [[neutroni]], se voi fissoituafissioitua esimerkiksi seuraavasti: <sup>235</sup><sub>92</sub>U + <sup>1</sup><sub>0</sub>n ⇒ <sup>92</sup><sub>36</sub>[[krypton|Kr]] + <sup>141</sup><sub>56</sub>[[barium|Ba]] + 3 <sup>1</sup><sub>0</sub>n. Syntyvät fissiotuotteet voivat olla muitakin kuin [[krypton]] (Kr) ja [[barium]] (Ba), joidenkunhan niiden [[massaluku]]jen summa vapautuvat neutronit mukaan luettuina on 236 ja [[järjestysluku (kemia)|järjestyslukujen]] summa 92. Fissiotuotteina syntyvät ytimet ovat yleensä [[beetahajoaminen|beeta-aktiivisia]], joten ne muuttuvat vähitellen toisiksi [[nuklidi|nuklideiksi]], joilla on sama [[massaluku]] mutta korkeampi [[järjestysluku (kemia)|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 Robert Frisch|Otto Frisch]] esittivät samana vuonna, että uraaniydin halkeaa kahteen lähes yhtä suureen osaan. Termi ''fissio'' on lainattu biologian [[solunjakautuminen|solunjakautumista]] koskevasta käsitteestä.<ref>Krane s. 478</ref>
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 [[gammasäteily]]n muodossa. Jos fissiokelpoista ainetta on vähän, suurin osa neutroneista joutuu kappaleen ulkopuolelle eikä saa aikaan uusia fissioita. Mutta jos sellaista ainetta on riittävästi, [[kriittinen massa|kriittistä massaa]] suurempi määrä, ketjureaktio jatkuu yhä useamman ytimen haljetessa niin, että voi tapahtua jopa [[ydinräjähdys]].
 
Ketjureaktio johtuu siitä, että spontaanissa fissiossa ytimestä vapautuu 1–5 (luonnon uraanille keskimäärin kolme2,5<ref>Krane s. 501</ref>) vapaata neutronia. Neutronien osuessa uusiin ytimiin, halkeavat ne myös vapauttaen lisää vapaita neutroneja ja runsaasti energiaa sekä lämmön että [[gammasäteily]]n muodossa. Jos fissiokelpoista ainetta on vähän, suurin osa neutroneista joutuu kappaleen ulkopuolelle eikä saa aikaan uusia fissioita. Mutta jos sellaista ainetta on riittävästi, [[kriittinen massa|kriittistä massaa]] suurempi määrä, ketjureaktio jatkuu yhä useamman ytimen haljetessa niin, että voi tapahtua jopa [[ydinräjähdys]].
[[Ydinvoima|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.
 
[[Ydinvoima|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. [[Sydämensydämen 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 [[ydinase]]et 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]].
 
Fissioon pohjautuvat [[ydinase]]et ovat erityistapaus. Niissä fissio-olosuhteita eli reaktiivisuutta nostetaan äärimmäisenhyvin nopeasti jolloin lyhyessä ajassa ehtii vapautua erittäin suuria määriä energiaa.<ref>Krane s. 520</ref> Fissiossa vapautuva energia on laskettavissa kaavalla [[E=mc²]].
 
==Fissiossa käytetyt polttoaineet==
 
Sähköntuotannossa käytetään [[uraani]]n [[isotooppi]]a <sup>235</sup>U, koska se on ainoa luonnossa esiintyvä isotooppi, jolla saadaan aikaan [[fissio]]iden ketjureaktio termisillä neutroneilla. Fissiokelpoista <sup>235</sup>U-[[isotooppi]]a esiintyy luonnon uraanissa ainoastaan 0,7&nbsp;%; loput ovat <sup>238</sup>U-isotooppia. Fissiossa voidaan käyttää myös muita uraanin keinotekoisia isotooppeja, kuten <sup>239</sup>U ja myös [[plutonium]]in keinotekoisia isotooppeja, kuten <sup>239</sup>Pu ja <sup>235</sup>Pu.
 
== Lähteet ==
* {{Kirjaviite | Tekijä = Benson, Harris | Nimeke = University Physics | Vuosi = 1996 | Julkaisija = Wiley | Selite = Revised Edition | Sivu = | Tunniste = ISBN 978-0-4711-5264-4 | Kieli = {{en}} }}
* {{Kirjaviite | Tekijä = Krane, Kenneth S. | Nimeke = Introductory Nuclear Physics | Vuosi = 1987 | Julkaisija = John Wiley & Sons | Tunniste = ISBN 0-471-80553-X | www = http://faculty.kfupm.edu.sa/PHYS/aanaqvi/Introductory-Nuclear-Physics-new-Krane.pdf | Tiedostomuoto = pdf | Kieli = {{en}} }}
 
=== Viitteet ===
{{Viitteet}}
 
== Aiheesta muualla ==
16 235

muokkausta