Tuumalõhustumine

Tuumalõhustumine ehk tuumafissioon on tuumareaktsioon, mille puhul suur aatomituum laguneb väiksemateks aatomituumadeks. Kui tuumalõhustumine toimub ilma väliste mõjutusteta, siis on tegemist spontaanse tuumalõhustumisega ja selle toimumise tõenäosus on üliväike. Tavaliselt toimub tuumalõhustumine alati välise mõjutuse tulemusena, näiteks vaba neutroni neeldumise tagajärjel. Kui beetalagunemise tagajärjel jääb nukleonide arv tuumas samaks ja alfalagunemise tulemusena väheneb tuuma nukleonide arv nelja võrra, siis tuumalõhustumise tagajärjel tekkivad uued tuumad on lõhustuvast tuumast palju väiksemad (lõhustuv tuum läheb enam-vähem ühesuuruste tükkidena "pooleks"). Lisaks tekib tuumalõhustumisel paar-kolm vaba neutronit ja eraldub gammakiirgust. Tuumalõhustumine erineb teistest radioaktiivse lagunemise liikidest selle poolest, et seda saab esile kutsuda ja kontrollida läbi ahelreaktsiooni: ühe tuuma lõhustumise tulemusena tekkinud neutronid käivitavad järgmiste tuumade lagunemise jne. Keemiliste elementide isotoope, mida on võimalik panna ahelreaktsioonina lõhustuma nimetatakse tuumakütusteks. Kõige levinumad tuumakütused on U235 ja Pu239 (uraan aatommassiga 235 ja plutoonium aatommassiga 239). Nende isotoopide tuumad lõhustuvad väiksemateks aatomituumadeks, mille aatommass jääb 90 ja 140 vahele. Enamasti on üks lõhustunud tuuma pool pisut väiksem (90-100) ja teine pisut suurem (130-140). Tuumalõhustumine on võimalik tänu sellele, et rauast (aatomnumber 26) suuremate aatomituumade seoseenergia (energia, mis on vajalik tuumale anda, et tuum lõhkuda) tuuma kasvades väheneb (mida suurem on tuum, seda altim on ta lõhustumisele). Tuuma seoseenergia määravad ära kaks vastandliku toimega jõudu: prootonite ja neutronite vahelist tõmbejõudu tekitav tuumajõud, mis on tugeva vastastikmõju teisene väljendus ja elektromagnetiline tõukejõud positiivselt laetud prootonite vahel. Tuumajõud on küll elektromagnetilisest jõust ca 100 korda tugevam, kuid tema mõju on piiratud konkreetse nukleoni lähiümbrusega. Elektromagnetilise jõu mõjuraadius ei ole piiratud ning seega mõjutab iga prooton kõiki teisi sama tuuma prootoneid. Rauast väiksemate aatomituumade puhul "ulatub" tuumajõud enam-vähem üle kogu tuuma ning kõige stabiilsemad on need isotoobid, milles on prootoneid ja neutroneid suhtes 1:1. Rauast suuremate tuumade puhul tuleb tuumale tema stabiliseerimiseks lisada täiendavaid neutroneid, mis tekitavad tuumajõudu, aga ei tekita elektromagnetilist tõukejõudu. Kui tuum lõhustub, siis jääkproduktide tuumad ei vaja täiendavaid neutroneid, mistõttu need "jäävad üle" ning eralduvad tuumalõhustumisel kiirete vabade neutronitena. Kuna suure aatomituuma kooshoidmiseks oli vaja oluliselt rohkem energiat kui lõhustumise tulemusena tekkinud tuumade kooshoidmiseks tarvis, siis üleliigne energia vabaneb tuumalõhustumise jääkproduktide kineetilise energiana (soojusenergia) ja elektromagnetkiirgusena (peale lõhustumist ergastatud olekusse jäänud aatomituumad kiirgavad põhiolekusse naasmiseks üleliigse energia ära gammakiirgusena). Tulenevalt massi-energia seosest E = mc2 on vabaneva energia võrra väiksem ka tuumalõhustumise jääkproduktide summaarne seisumass võrreldes lõhustunud tuuma algse seisumassiga. Tuuma lõhustumine on seega eksotermiline reaktsioon, mille tulemusena vabaneb suurtes kogustes energiat. Seda energiat on võimalik kasutada näiteks soojuse (ja elektri) tootmiseks tuumaelektrijaamas, kus tuumalõhustumine toimub juhitava ahelreaktsioonina. Juhitamatu ahelreaktsioonina vabaneb tuumaenergia tuumapommi plahvatusel. Esimene tehislik tuumalõhustumine toimus Enrico Fermi juhtimisel Manhattani projekti raames 2. detsembril 1942 USA-s Chicago ülikoolis. Site of the Fermi's "Atomic Pile" – First Nuclear Reactor YouTube'is 37. sekundil