Fisi nuklir

Dari Wikipedia, ensiklopedia bebas Langsung ke: navigasi, cari Untuk pembangkit tenaga listrik dengan fisi, melihat kekuatan nuklir. "Memisahkan atom" beralih ke halaman ini. Untuk EP, lihat Memisahkan Atom. Reaksi fisi diinduksi. Neutron diserap oleh uranium-235 inti, mengubahnya sebentar menjadi bersemangat uranium-236 inti, dengan energi eksitasi yang disediakan oleh energi kinetik neutron ditambah kekuatan yang mengikat neutron. Uranium-236, pada gilirannya, terbagi menjadi unsur yang lebih ringan bergerak cepat (produk fisi) dan melepaskan tiga neutron bebas. Pada saat yang sama, satu atau lebih "sinar gamma prompt" (tidak terlihat) diproduksi, juga. Fisika nuklir NuclearReaction.png Inti · Nukleon (p, n) · · kekuatan Nuklir Reaksi Nuklir Model nuklir dan stabilitas [show] Klasifikasi nuklida '[menunjukkan] Peluruhan radioaktif [show] Fisi nuklir [acara] Proses Menangkap [menunjukkan] Proses energi tinggi [show] Topik nukleosintesis [menunjukkan] Para ilmuwan [menunjukkan]

    v
    t
    e
Dalam fisika nuklir dan kimia nuklir, fisi nuklir adalah salah reaksi nuklir atau proses peluruhan radioaktif di mana inti atom membelah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil (inti ringan). Proses fisi sering menghasilkan neutron bebas dan foton (dalam bentuk sinar gamma), dan melepaskan jumlah yang sangat besar energi bahkan oleh standar energik peluruhan radioaktif.
Fisi nuklir dari elemen berat ditemukan pada tahun 1938 oleh Lise Meitner, Otto Hahn, Fritz Strassmann, dan Otto Frisch Robert. Itu bernama dengan analogi dengan fisi biologis sel-sel hidup. Ini adalah reaksi eksotermis yang dapat melepaskan sejumlah besar energi baik sebagai radiasi elektromagnetik dan sebagai energi kinetik fragmen (memanaskan bahan massal di mana fisi terjadi). Agar fisi untuk menghasilkan energi, total energi pengikatan unsur yang dihasilkan harus lebih besar dari elemen awal.
Fisi adalah bentuk transmutasi nuklir karena yang dihasilkan fragmen tidak elemen sama dengan atom aslinya. Kedua inti yang dihasilkan paling sering sebanding tapi sedikit berbeda ukuran, biasanya dengan rasio massa produk sekitar 3 atau 2, untuk isotop fisil umum. [1] [2] Kebanyakan fisi adalah fisi biner (menghasilkan dua fragmen dikenakan), tapi kadang-kadang (2 sampai 4 kali per 1000 peristiwa), tiga fragmen bermuatan positif diproduksi, dalam fisi terner. Terkecil dari fragmen ini dalam proses terner berkisar dalam ukuran dari proton ke inti argon.
Fisi seperti ditemui dalam dunia modern biasanya reaksi nuklir buatan manusia sengaja diproduksi disebabkan oleh neutron. Hal ini kurang umum ditemui sebagai bentuk alami dari peluruhan radioaktif spontan (tidak memerlukan neutron), terjadi terutama di sangat tinggi-massa-nomor isotop. Yang tak terduga komposisi produk (yang bervariasi secara probabilistik dan agak kacau luas) membedakan fisi dari murni kuantum tunneling proses seperti proton emisi, peluruhan alfa dan klaster pembusukan, yang memberikan produk yang sama setiap kali. Fisi nuklir menghasilkan energi untuk tenaga nuklir dan untuk mendorong ledakan senjata nuklir. Kedua menggunakan dimungkinkan karena zat tertentu yang disebut bahan bakar nuklir mengalami fisi saat terkena neutron fisi, dan pada gilirannya memancarkan neutron ketika mereka pecah. Ini memungkinkan reaksi berantai nuklir mandiri yang melepaskan energi pada tingkat yang terkendali dalam reaktor nuklir atau pada tingkat yang tidak terkendali sangat cepat dalam senjata nuklir.
Jumlah energi bebas yang terkandung dalam bahan bakar nuklir adalah jutaan kali jumlah energi bebas yang terkandung dalam massa yang sama bahan bakar kimia seperti bensin, membuat fisi nuklir sumber yang sangat padat energi. Produk fisi nuklir, bagaimanapun, adalah rata-rata jauh lebih radioaktif dari elemen berat yang biasanya fissioned sebagai bahan bakar, dan tetap demikian untuk waktu yang cukup, sehingga menimbulkan masalah limbah nuklir. Kekhawatiran atas akumulasi limbah nuklir dan atas potensi destruktif dari senjata nuklir dapat mengimbangi kualitas yang diinginkan dari fisi sebagai sumber energi, dan menimbulkan perdebatan politik yang sedang berlangsung tenaga nuklir. Isi


    1 gambaran Fisik
        1.1 Mekanika
        1.2 energetika
            1.2.1 Masukan
            1.2.2 Keluaran
        1.3 Produk inti dan energi ikat
        1.4 Asal energi aktif dan kurva energi mengikat
        1.5 Reaksi Rantai
        1.6 reaktor Fisi
        1,7 bom Fisi
    2 Sejarah
        2.1 Penemuan fisi nuklir
        2,2 reaksi berantai Fisi
        2.3 Proyek Manhattan dan di luar
        2.4 Alam fisi berantai reaktor di Bumi
    3 Lihat juga
    4 Catatan
    5 Referensi
    6 Pranala luar
Gambaran fisik Mekanika Sebuah representasi visual dari suatu peristiwa fisi nuklir diinduksi mana neutron yang bergerak lambat diserap oleh inti uranium-235 atom, yang fisi menjadi dua unsur yang lebih ringan yang bergerak cepat (produk fisi) dan neutron tambahan. Sebagian besar energi yang dilepaskan dalam bentuk kecepatan kinetik dari produk fisi dan neutron. Fisi produk hasil massa untuk fisi neutron termal dari U-235, Pu-239, kombinasi dari dua khas reaktor nuklir saat ini, dan U-233 yang digunakan dalam siklus thorium.
Fisi nuklir dapat terjadi tanpa penembakan neutron, sebagai jenis peluruhan radioaktif. Jenis fisi (disebut fisi spontan) jarang kecuali di beberapa isotop berat. Dalam perangkat nuklir rekayasa, pada dasarnya semua fisi nuklir terjadi sebagai "reaksi nuklir" - sebuah proses penembakan-driven yang hasil dari tabrakan dua partikel subatom. Dalam reaksi nuklir, bertabrakan dengan partikel subatomik inti atom dan menyebabkan perubahan untuk itu. Reaksi nuklir demikian didorong oleh mekanisme penembakan, bukan oleh peluruhan eksponensial yang relatif konstan dan karakteristik paruh proses radioaktif spontan.
Banyak jenis reaksi nuklir yang saat ini dikenal. Fisi nuklir berbeda penting dari jenis lain reaksi nuklir, dalam hal ini dapat diperkuat dan kadang-kadang dikontrol melalui reaksi berantai nuklir (salah satu jenis reaksi berantai umum). Dalam reaksi tersebut, neutron bebas yang dirilis oleh setiap kegiatan fisi dapat memicu lebih banyak lagi peristiwa, yang pada gilirannya melepaskan lebih banyak neutron dan menyebabkan lebih fisi.
Isotop unsur kimia yang dapat menopang reaksi berantai fisi disebut bahan bakar nuklir, dan dikatakan fisil. Bahan bakar nuklir yang paling umum adalah 235U (isotop uranium dengan massa atom 235 dan digunakan dalam reaktor nuklir) dan 239Pu (isotop plutonium dengan massa atom 239). Bahan bakar ini pecah menjadi berbagai bimodal unsur kimia dengan massa atom berpusat dekat 95 dan 135 u (produk fisi). Kebanyakan bahan bakar nuklir mengalami fisi spontan sangat lambat, bukan membusuk terutama melalui alpha / rantai peluruhan beta selama periode ribuan tahun untuk ribuan tahun. Dalam senjata nuklir atau reaktor nuklir, mayoritas peristiwa fisi yang disebabkan oleh penembakan dengan partikel lain, neutron, yang itu sendiri diproduksi oleh peristiwa fisi sebelumnya.
Fisi nuklir dalam bahan bakar fisil adalah hasil dari energi eksitasi nuklir dihasilkan ketika inti fisil menangkap neutron. Energi ini, yang dihasilkan dari penangkapan neutron, adalah hasil dari gaya nuklir menarik bekerja antara neutron dan inti. Hal ini cukup untuk merusak inti menjadi "drop," double-lobed ke titik bahwa fragmen nuklir melebihi jarak di mana gaya nuklir dapat memegang dua kelompok nukleon dibebankan bersama-sama, dan ketika hal ini terjadi, dua fragmen menyelesaikan perpisahan mereka dan kemudian didorong lebih jauh terpisah oleh biaya saling menjijikkan mereka, dalam suatu proses yang menjadi ireversibel dengan jarak yang lebih besar dan lebih besar. Proses yang sama terjadi pada isotop fisi (seperti uranium-238), tetapi untuk fisi, isotop ini memerlukan energi tambahan yang disediakan oleh neutron cepat (seperti yang dihasilkan oleh fusi nuklir senjata termonuklir).
Model drop cair inti atom memprediksi produk fisi sama besar sebagai hasil mekanik deformasi nuklir. Model kulit nuklir yang lebih canggih diperlukan untuk mekanis menjelaskan rute ke hasil yang lebih energetik, di mana satu produk fisi sedikit lebih kecil dari yang lain.
Proses fisi yang paling umum adalah pembelahan biner, dan menghasilkan produk fisi disebutkan di atas, pada 95 ± 15 dan 135 ± 15 u. Namun, proses biner terjadi hanya karena itu adalah yang paling mungkin. Di mana saja dari 2 sampai 4 fisi per 1.000 dalam reaktor nuklir, proses yang disebut ternary fisi menghasilkan tiga fragmen bermuatan positif (ditambah neutron) dan terkecil dari kisaran mungkin dari begitu kecil muatan dan massa sebagai proton (Z = 1) , sebagai besar fragmen sebagai argon (Z = 18). Fragmen kecil yang paling umum, bagaimanapun, terdiri dari 90% helium-4 inti dengan energi lebih dari partikel alpha dari peluruhan alfa (disebut "kisaran alpha yang panjang" di ~ 16 MeV), ditambah helium-6 inti, dan tritons ( inti tritium). Proses terner jarang terjadi, tapi masih berakhir memproduksi penumpukan gas helium-4 dan tritium signifikan dalam batang bahan bakar reaktor nuklir modern. [3] Energetika Masukan Tahapan pembelahan biner dalam model drop cair. Masukan energi deformasi inti menjadi gemuk "cerutu" bentuk, maka "kacang" bentuk, diikuti oleh pembelahan biner sebagai dua lobus melebihi jarak pendek gaya tarik jarak yang kuat, kemudian didorong terpisah dan pergi oleh muatan listrik mereka. Perhatikan bahwa dalam model ini, dua fragmen fisi adalah ukuran yang sama.
Fisi dari inti berat membutuhkan energi input total sekitar 7-8.000.000 elektron volt (MeV) untuk awalnya mengatasi gaya kuat yang memegang inti menjadi bentuk bulat atau hampir bulat, dan dari sana, merusak itu menjadi dua lobed ("kacang") bentuk di mana lobus dapat terus terpisah dari satu sama lain, didorong oleh muatan positif bersama mereka, dalam proses yang paling umum dari pembelahan biner (dua bermuatan positif produk fisi + neutron). Setelah lobus nuklir telah mendorong ke jarak kritis, di luar yang gaya kuat jarak dekat tidak bisa lagi menahan mereka bersama-sama, proses hasil pemisahan mereka dari energi (lagi kisaran) tolakan elektromagnetik antara fragmen. Hasilnya adalah dua fragmen fisi bergerak menjauh dari satu sama lain, pada energi tinggi.
Sekitar 6 MeV dari energi fisi-masukan diberikan oleh pengikatan sederhana dari sebuah neutron tambahan ke inti berat melalui gaya kuat, namun, dalam banyak isotop fisi, jumlah energi ini tidak cukup untuk fisi. Uranium-238, misalnya, memiliki mendekati nol fisi cross section untuk neutron kurang dari satu energi MeV. Jika tidak ada energi tambahan dipasok oleh mekanisme lain, inti tidak akan fisi, tetapi hanya akan menyerap neutron, seperti yang terjadi ketika U-238 menyerap lambat dan bahkan beberapa fraksi neutron cepat, untuk menjadi U-239. Sisa energi untuk memulai fisi dapat diberikan oleh dua mekanisme lain: salah satunya adalah lebih banyak energi kinetik neutron yang masuk, yang semakin mampu fisi inti berat fisi karena melebihi energi kinetik dari satu MeV atau lebih (jadi- disebut neutron cepat). Neutron energi tinggi seperti mampu fisi U-238 secara langsung (lihat senjata termonuklir untuk aplikasi, di mana neutron cepat yang disediakan oleh fusi nuklir). Namun, proses ini tidak bisa terjadi untuk sebagian besar dalam reaktor nuklir, karena terlalu kecil sebagian kecil dari neutron fisi yang dihasilkan oleh setiap jenis fisi memiliki energi yang cukup untuk efisien fisi U-238 (neutron fisi memiliki energi rata-rata 2 MeV, tapi modus hanya 0,75 MeV, yang berarti setengah dari mereka memiliki kurang dari energi ini tidak cukup). [4]
Di antara unsur-unsur aktinida berat, namun mereka isotop yang memiliki jumlah ganjil neutron (seperti U-235 dengan 143 neutron) mengikat sebuah neutron tambahan dengan tambahan 1 sampai 2 MeV energi lebih dari satu isotop dari unsur yang sama dengan bahkan jumlah neutron (seperti U-238 dengan 146 neutron). Ini energi mengikat tambahan dibuat tersedia sebagai hasil dari mekanisme efek pasangan neutron. Ini hasil energi ekstra dari pengecualian prinsip Pauli memungkinkan suatu neutron ekstra untuk menempati orbital nuklir sama dengan neutron terakhir di inti, sehingga dua bentuk sepasang. Dalam isotop tersebut, sehingga tidak ada energi kinetik neutron yang dibutuhkan, untuk semua energi yang diperlukan disediakan oleh penyerapan neutron apapun, baik dari berbagai cepat atau lambat (mantan digunakan dalam reaktor nuklir dikelola, dan yang terakhir digunakan dengan cepat reaktor neutron, dan senjata). Seperti disebutkan di atas, subkelompok elemen fisi yang dapat fissioned efisien dengan neutron fisi mereka sendiri (sehingga berpotensi menyebabkan reaksi berantai nuklir dalam jumlah yang relatif kecil dari bahan murni) yang disebut "fisi." Contoh isotop fisil adalah U-235 dan plutonium-239. Keluaran
Peristiwa fisi khas melepaskan sekitar dua ratus juta eV (200 MeV) energi untuk setiap peristiwa fisi. Yang tepat isotop yang fissioned, dan apakah atau tidak itu adalah fisi atau fisil, hanya memiliki dampak kecil pada jumlah energi yang dilepaskan. Hal ini dapat dengan mudah dilihat dengan memeriksa kurva energi mengikat (gambar di bawah), dan mencatat bahwa energi ikat rata-rata nuklida aktinida dimulai dengan uranium adalah sekitar 7,6 Mev per nukleon. Melihat lebih jauh meninggalkan pada kurva energi yang mengikat, di mana produk klaster fisi, itu mudah diamati bahwa energi ikat dari produk fisi cenderung ke pusat sekitar 8,5 Mev per nukleon. Jadi, dalam setiap peristiwa fisi isotop dalam kisaran aktinida dari massa, sekitar 0,9 Mev dilepaskan per nukleon dari elemen awal. Fisi dari U235 oleh neutron lambat menghasilkan energi hampir identik dengan fisi dari U238 oleh neutron cepat. Energi ini profil pelepasan berlaku untuk torium dan berbagai aktinida minor juga. [5]
Sebaliknya, reaksi oksidasi kimia yang paling (seperti pembakaran batu bara atau TNT) rilis paling beberapa eV per kejadian. Jadi, bahan bakar nuklir mengandung setidaknya sepuluh juta kali lebih banyak energi yang dapat digunakan per satuan massa daripada bahan bakar kimia. Energi fisi nuklir dilepaskan sebagai energi kinetik dari produk fisi dan fragmen, dan sebagai radiasi elektromagnetik dalam bentuk sinar gamma, dalam reaktor nuklir, energi diubah menjadi panas sebagai partikel dan sinar gamma bertabrakan dengan atom yang membuat reaktor dan cairan kerja, biasanya air atau kadang-kadang air berat.
Ketika uranium inti fisi menjadi dua fragmen inti putri, sekitar 0,1 persen dari massa inti uranium [6] muncul sebagai energi fisi ~ 200 MeV. Untuk uranium-235 (jumlah rata-rata energi fisi 202,5 ​​MeV), biasanya ~ 169 MeV muncul sebagai energi kinetik dari putri inti, yang terbang terpisah pada sekitar 3% dari kecepatan cahaya, karena tolakan Coulomb. Juga, rata-rata 2,5 neutron yang dipancarkan, dengan energi kinetik rata-rata per neutron ~ 2 MeV (total 4,8 MeV) [7] Reaksi fisi juga melepaskan ~ 7 MeV dalam cepat foton sinar gama.. Angka terakhir berarti bahwa fisi ledakan nuklir atau kecelakaan kekritisan memancarkan sekitar 3,5% dari energi sebagai sinar gamma, kurang dari 2,5% dari energi sebagai neutron cepat (total kedua jenis radiasi ~ 6%), dan sisanya sebagai kinetik energi fragmen fisi (ini muncul segera ketika fragmen dampak sekitarnya materi, sebagai panas sederhana). Dalam sebuah bom atom, panas ini dapat berfungsi untuk menaikkan suhu inti bom 100 juta kelvin dan menyebabkan emisi sekunder lembut sinar-X, yang mengubah sebagian energi ini untuk radiasi pengion. Namun, dalam reaktor nuklir, fisi fragmen energi kinetik tetap sebagai panas suhu rendah, yang dengan sendirinya menyebabkan sedikit atau tidak ada ionisasi.
Jadi yang disebut bom neutron (senjata radiasi ditingkatkan) telah dibangun yang melepaskan sebagian besar energi mereka sebagai radiasi pengion (khusus, neutron), tapi ini semua perangkat termonuklir yang mengandalkan tahap fusi nuklir untuk menghasilkan radiasi tambahan. Dinamika energi bom fisi murni selalu tetap sekitar 6% dari total hasil radiasi, sebagai akibat prompt fisi.
Total energi fisi cepat berjumlah sekitar 181 MeV, atau ~ 89% dari total energi yang akhirnya dirilis oleh fisi dari waktu ke waktu. Sisanya ~ 11% dilepaskan dalam peluruhan beta yang memiliki berbagai paruh, tapi mulai sebagai proses dalam produk fisi segera, dan emisi gamma tertunda terkait dengan peluruhan beta. Misalnya, dalam uranium-235 energi tertunda dibagi menjadi sekitar 6,5 MeV di beta, 8,8 MeV di antineutrino (dirilis pada waktu yang sama seperti beta), dan akhirnya, tambahan 6,3 MeV dalam emisi gamma tertunda dari bersemangat beta- produk peluruhan (dengan total rata-rata ~ emisi sinar gamma 10 per fisi, dalam semua). Dengan demikian, tambahan 6% dari energi total fisi juga akhirnya dirilis sebagai radiasi pengion non-cepat, dan ini adalah tentang merata dibagi antara gamma dan energi sinar beta. Sisanya adalah antineutrino.
8,8 MeV/202.5 MeV = 4,3% dari energi yang dilepaskan sebagai antineutrino tidak ditangkap oleh bahan reaktor sebagai panas, dan lolos langsung melalui semua bahan (termasuk Bumi) di hampir kecepatan cahaya, dan masuk ke ruang antarplanet ( jumlah yang diserap sangat kecil). Radiasi neutrino ini biasanya tidak digolongkan sebagai radiasi pengion, karena hampir seluruhnya tidak diserap dan karena itu tidak menghasilkan efek. Hampir semua sisa radiasi (beta dan radiasi gamma) pada akhirnya diubah menjadi panas dalam teras reaktor atau yang melindungi.
Beberapa proses yang melibatkan neutron yang terkenal untuk menyerap atau akhirnya menghasilkan energi - misalnya neutron energi kinetik tidak menghasilkan panas segera jika neutron ditangkap oleh uranium-238 atom untuk berkembang biak plutonium-239, tetapi energi ini dipancarkan jika plutonium-239 ini kemudian fissioned. Di sisi lain, yang disebut neutron tertunda dipancarkan sebagai produk peluruhan radioaktif dengan waktu paruh hingga beberapa menit, dari fisi-anak perempuan, sangat penting untuk kontrol reaktor, karena mereka memberikan karakteristik "reaksi" waktu untuk reaksi nuklir Total dua kali lipat dalam ukuran, jika reaksi dijalankan dalam "tertunda-kritis" zona yang sengaja bergantung pada neutron ini untuk superkritis rantai reaksi (satu di mana setiap siklus fisi menghasilkan neutron lebih daripada menyerap). Tanpa keberadaan mereka, nuklir reaksi berantai akan cepat kritis dan peningkatan ukuran lebih cepat dari itu bisa dikendalikan oleh campur tangan manusia. Dalam hal ini, reaktor atom eksperimental pertama akan lari ke "reaksi kritis prompt" berbahaya dan berantakan sebelum operator mereka bisa secara manual menutup mereka (untuk alasan ini, desainer Enrico Fermi termasuk-counter-dipicu radiasi batang kendali, ditangguhkan oleh elektromagnet, yang secara otomatis bisa drop ke pusat Chicago Pile-1). Jika neutron tertunda ditangkap tanpa menghasilkan fisi, mereka menghasilkan panas juga. [8] Inti produk dan energi mengikat Artikel utama: fisi produk dan fisi menghasilkan produk
Dalam fisi ada preferensi untuk menghasilkan fragmen dengan bahkan nomor proton, yang disebut efek aneh-bahkan pada distribusi muatan fragmen. Namun, tidak ada efek aneh-bahkan diamati pada distribusi nomor massa fragmen. Hasil ini disebabkan nukleon pasangan melanggar.
Dalam acara inti fisi nuklir dapat masuk ke setiap kombinasi inti ringan, tetapi acara yang paling umum adalah tidak fisi ke inti massa yang sama tentang massa 120; peristiwa paling umum (tergantung pada isotop dan proses) adalah fisi sedikit tidak seimbang di mana satu putri inti memiliki massa sekitar 90 sampai 100 u dan yang lain sisanya 130-140 u. [9] fisi yang tidak merata yang penuh semangat lebih menguntungkan karena ini memungkinkan satu produk untuk lebih dekat dengan minimum energik dekat massa 60 u (hanya seperempat dari massa fisi rata-rata), sedangkan inti lain dengan massa 135 u masih tidak jauh dari jangkauan inti yang paling terikat erat (pernyataan lain dari ini, adalah bahwa kurva energi ikat atom sedikit curam di sebelah kiri massa 120 u daripada sebelah kanan itu). Asal energi aktif dan kurva energi mengikat "Kurva energi mengikat": Sebuah grafik energi ikat per nukleon isotop umum.
Fisi nuklir dari elemen berat menghasilkan energi karena energi pengikatan spesifik (energi ikat per massa) inti massa menengah dengan nomor atom dan massa atom dekat dengan 62Ni dan 56Fe lebih besar daripada energi ikat nukleon-spesifik inti sangat berat, sehingga energi dilepaskan ketika inti berat yang rusak terpisah. Total massa sisa produk fisi (Mp) dari reaksi tunggal kurang dari massa inti bahan bakar asli (M). Kelebihan massa Δm = M - Mp adalah massa invarian energi yang dilepaskan sebagai foton (sinar gamma) dan energi kinetik fragmen fisi, menurut massa-energi kesetaraan rumus E = mc2.
Variasi dalam energi pengikatan spesifik dengan nomor atom adalah karena interaksi dari dua gaya fundamental yang bekerja pada komponen nukleon (proton dan neutron) yang membentuk inti. Nuclei terikat oleh gaya nuklir tarik menarik antara nukleon, yang mengatasi tolakan elektrostatik antara proton. Namun, gaya nuklir hanya bertindak atas rentang yang relatif singkat (diameter nukleon beberapa), karena mengikuti potensi Yukawa secara eksponensial yang membuatnya tidak signifikan pada jarak yang lebih jauh. Elektrostatik tolakan adalah jangkauan yang lebih panjang, karena meluruh oleh aturan kuadrat terbalik, sehingga inti yang lebih besar dari sekitar 12 nukleon dengan diameter mencapai titik bahwa total tolakan elektrostatik mengatasi gaya nuklir dan menyebabkan mereka menjadi tidak stabil secara spontan. Untuk alasan yang sama, inti yang lebih besar (lebih dari sekitar delapan nukleon diameter) kurang terikat erat per satuan massa daripada inti kecil, melanggar inti yang besar menjadi dua atau lebih berukuran menengah inti melepaskan energi. Asal energi ini adalah gaya nuklir, yang inti berukuran menengah memungkinkan untuk bertindak lebih efisien, karena setiap nukleon memiliki lebih tetangga yang berada dalam daya tarik jarak pendek gaya ini. Energi sehingga kurang dibutuhkan dalam inti yang lebih kecil dan perbedaan ke negara sebelum dibebaskan.
Juga karena jarak pendek dari kekuatan mengikat kuat, inti stabil besar harus berisi proporsional lebih neutron daripada unsur-unsur ringan, yang paling stabil dengan rasio 1-1 dari proton dan neutron. Nuclei yang memiliki lebih dari 20 proton tidak bisa stabil kecuali mereka memiliki lebih dari jumlah yang sama neutron. Neutron tambahan menstabilkan elemen berat karena mereka menambah kuat-kekuatan mengikat (yang bertindak antara semua nukleon) tanpa menambah proton-proton tolakan. Produk fisi memiliki, rata-rata sekitar rasio yang sama dari neutron dan proton sebagai orangtua inti mereka, dan karena itu biasanya tidak stabil untuk peluruhan beta (yang mengubah neutron untuk proton) karena mereka memiliki terlalu banyak neutron proporsional dibandingkan dengan isotop stabil massa serupa.
Kecenderungan ini untuk fisi produk inti untuk beta-pembusukan adalah penyebab mendasar dari masalah limbah radioaktif tingkat tinggi dari reaktor nuklir. Produk fisi cenderung emitter beta, memancarkan elektron bergerak cepat untuk menghemat biaya listrik, sebagai kelebihan neutron mengkonversi ke proton dalam atom fisi-produk. Lihat Produk Fisi (oleh elemen) untuk deskripsi produk fisi diurutkan berdasarkan elemen. Reaksi berantai Sebuah reaksi berantai fisi nuklir skematik. 1. Sebuah uranium-235 atom menyerap neutron dan fisi menjadi dua atom baru (fragmen fisi), merilis tiga neutron baru dan beberapa energi mengikat. 2. Salah satu neutron diserap oleh atom uranium-238 dan tidak melanjutkan reaksi. Neutron lain hanya hilang dan tidak berbenturan dengan apa pun, juga tidak melanjutkan reaksi. Namun, satu neutron tidak bertabrakan dengan atom uranium-235, yang kemudian fisi dan rilis dua neutron dan beberapa energi ikat. 3. Kedua orang neutron bertabrakan dengan uranium-235 atom, yang masing-masing fisi dan rilis antara satu dan tiga neutron, yang kemudian dapat melanjutkan reaksi. Artikel utama: reaksi berantai nuklir
Beberapa elemen berat, seperti uranium, thorium, dan plutonium, menjalani kedua fisi spontan, bentuk peluruhan radioaktif dan induksi fisi, bentuk reaksi nuklir. Isotop unsur yang menjalani diinduksi fisi bila dipukul oleh neutron bebas disebut fisi, isotop yang mengalami fisi bila dipukul oleh thermal, neutron lambat bergerak juga disebut fisi. Beberapa isotop fisil dan sangat mudah didapat (terutama 233U, 235U dan 239Pu) disebut bahan bakar nuklir karena mereka dapat mempertahankan reaksi berantai dan dapat diperoleh dalam jumlah cukup besar untuk menjadi berguna.
Semua isotop fisi dan fisil menjalani sejumlah kecil fisi spontan yang melepaskan neutron beberapa gratis ke setiap sampel bahan bakar nuklir. Neutron tersebut akan melarikan diri dengan cepat dari bahan bakar dan menjadi neutron bebas, dengan seumur hidup rata-rata sekitar 15 menit sebelum membusuk ke proton dan partikel beta. Namun, neutron hampir selalu dampak dan diserap oleh inti lain di sekitarnya jauh sebelum ini terjadi (baru dibuat neutron fisi bergerak di sekitar 7% dari kecepatan cahaya, dan bahkan neutron moderator bergerak di sekitar 8 kali kecepatan suara). Beberapa neutron akan berdampak inti bahan bakar dan menginduksi fisi lanjut, melepaskan lebih banyak lagi neutron. Jika cukup bahan bakar nuklir dirakit di satu tempat, atau jika neutron melarikan diri yang cukup berisi, maka ini neutron baru dipancarkan melebihi jumlah neutron yang melarikan diri dari perakitan, dan reaksi berantai nuklir berkelanjutan akan berlangsung.
Sebuah perakitan yang mendukung reaksi berantai nuklir berkelanjutan disebut perakitan kritis atau, jika perakitan hampir seluruhnya terbuat dari bahan bakar nuklir, massa kritis. Kata "kritis" mengacu pada puncak dalam perilaku persamaan diferensial yang mengatur jumlah neutron bebas hadir dalam bahan bakar: jika kurang dari massa kritis hadir, maka jumlah neutron ditentukan oleh peluruhan radioaktif, tetapi jika massa kritis atau lebih hadir, maka jumlah neutron dikendalikan bukan oleh fisika reaksi berantai. Massa sebenarnya dari sebuah massa kritis bahan bakar nuklir sangat tergantung pada geometri dan bahan sekitarnya.
Tidak semua isotop fisi dapat mempertahankan reaksi berantai. Misalnya, 238U, bentuk yang paling berlimpah uranium, adalah fisi tetapi tidak fisil: itu mengalami diinduksi fisi ketika dipengaruhi oleh sebuah neutron energik dengan lebih dari 1 MeV energi kinetik. Namun, terlalu beberapa neutron yang dihasilkan oleh fisi 238U cukup energik untuk menginduksi fisi lebih lanjut dalam 238U, sehingga tidak ada reaksi berantai yang mungkin dengan isotop ini. Sebaliknya, membombardir 238U dengan neutron lambat menyebabkan untuk menyerap mereka (menjadi 239U) dan pembusukan oleh emisi beta untuk 239Np yang kemudian meluruh lagi dengan proses yang sama untuk 239Pu, proses yang digunakan untuk memproduksi 239Pu dalam reaktor peternak. Produksi plutonium in-situ juga berkontribusi terhadap reaksi berantai neutron dalam jenis lain reaktor setelah cukup plutonium-239 telah diproduksi, karena plutonium-239 juga merupakan elemen fisil yang berfungsi sebagai bahan bakar. Diperkirakan bahwa sampai setengah dari listrik yang dihasilkan oleh standar "non-peternak" reaktor dihasilkan oleh fisi plutonium-239 diproduksi di tempat, selama total siklus hidup dari beban bahan bakar.
Fisi, isotop non-fisi dapat digunakan sebagai sumber energi fisi bahkan tanpa reaksi berantai. Membombardir 238U dengan neutron cepat menginduksi fisi, melepaskan energi selama sumber neutron eksternal hadir. Ini adalah efek yang penting dalam semua reaktor di mana neutron cepat dari isotop fisil dapat menyebabkan fisi inti 238U dekatnya, yang berarti bahwa beberapa bagian kecil dari 238U adalah "terbakar-up" di semua bahan bakar nuklir, terutama di reaktor peternak cepat yang beroperasi dengan neutron energi yang lebih tinggi. Itu sama efek cepat fisi digunakan untuk menambah energi yang dilepaskan oleh senjata termonuklir modern, dengan jacketing senjata dengan 238U untuk bereaksi dengan neutron dirilis oleh fusi nuklir di pusat perangkat. Reaktor fisi Menara pendingin dari Philippsburg Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir, di Jerman.
Reaktor fisi Kritis adalah jenis yang paling umum dari reaktor nuklir. Dalam reaktor fisi kritis, neutron yang dihasilkan oleh fisi atom bahan bakar yang digunakan untuk menginduksi fisi lebih banyak lagi, untuk mempertahankan jumlah yang terkontrol pelepasan energi. Perangkat yang menghasilkan reaksi fisi rekayasa tetapi non-mandiri adalah reaktor fisi subkritis. Perangkat tersebut menggunakan peluruhan radioaktif atau akselerator partikel untuk memicu fisi.
Reaktor fisi kritis dibangun untuk tiga tujuan utama, yang biasanya melibatkan teknik yang berbeda trade-off untuk mengambil keuntungan dari baik panas atau neutron yang dihasilkan oleh reaksi berantai fisi:

    reaktor daya dimaksudkan untuk menghasilkan panas untuk tenaga nuklir, baik sebagai bagian dari stasiun pembangkit atau sistem tenaga lokal seperti kapal selam nuklir.
    reaktor riset dimaksudkan untuk menghasilkan neutron dan / atau mengaktifkan sumber radioaktif untuk tujuan penelitian ilmiah lainnya, kedokteran, teknik, atau.
    reaktor peternak dimaksudkan untuk memproduksi bahan bakar nuklir dalam jumlah besar dari isotop lebih berlimpah. Yang lebih dikenal reaktor biak cepat membuat 239Pu (bahan bakar nuklir) dari 238U alami sangat berlimpah (bukan bahan bakar nuklir). Reaktor peternak Thermal sebelumnya diuji menggunakan 232Th untuk berkembang biak fisi isotop 233U (siklus bahan bakar thorium) terus dipelajari dan dikembangkan.
Sementara, pada prinsipnya, semua reaktor fisi dapat bertindak dalam tiga kapasitas, dalam praktek tugas menyebabkan tujuan rekayasa bertentangan dan sebagian reaktor telah dibangun dengan hanya salah satu tugas di atas dalam pikiran. (Ada beberapa awal kontra-contoh, seperti N reaktor Hanford, sekarang dinonaktifkan). Reaktor daya umumnya mengubah energi kinetik dari produk fisi menjadi panas, yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja dan mendorong mesin panas yang menghasilkan tenaga mekanik atau listrik. Fluida kerja biasanya air dengan turbin uap, tetapi beberapa desain menggunakan bahan lain seperti gas helium. Reaktor riset menghasilkan neutron yang digunakan dalam berbagai cara, dengan panas fisi diperlakukan sebagai produk limbah dapat dihindari. Reaktor pembiak adalah bentuk khusus dari reaktor riset, dengan peringatan bahwa sampel yang diiradiasi biasanya bahan bakar itu sendiri, campuran 238U dan 235U. Untuk penjelasan lebih rinci tentang fisika dan prinsip-prinsip operasi dari reaktor fisi kritis, melihat fisika reaktor nuklir. Untuk deskripsi aspek sosial, politik, dan lingkungan mereka, melihat kekuatan nuklir. Bom fisi Jamur awan bom atom dijatuhkan di Nagasaki, Jepang pada tahun 1945 naik sekitar 18 kilometer (11 mil) di atas hiposenter bom tersebut. Bom menewaskan sedikitnya 60.000 orang. [10]