Phản ứng phân hạch
Tổng quan về vật lý > Cơ chế > Phản ứng hạt nhân

Trong các thiết bị hạt nhân được thiết kế, về cơ bản, tất cả các phản ứng phân hạch hạt nhân xảy ra như một " phản ứng hạt nhân " - một quá trình điều khiển bắn phá, kết quả từ sự va chạm của hai hạt hạ nguyên tử. Trong các phản ứng hạt nhân, một hạt hạ nguyên tử va chạm với hạt nhân nguyên tử và gây ra những thay đổi cho nó. Do đó, các phản ứng hạt nhân được thúc đẩy bởi các cơ chế bắn phá, chứ không phải bởi sự phân rã theo hàm mũ tương đối liên tục và đặc tính chu kỳ bán rã của các quá trình phóng xạ tự phát.
Nhiều loại phản ứng hạt nhân hiện đang được biết đến. Phản ứng phân hạch hạt nhân tới hạn khác với các loại phản ứng hạt nhân khác, ở chỗ nó có thể được khuếch đại và đôi khi được điều khiển thông qua phản ứng chuỗi hạt nhân (một loại phản ứng dây chuyền chung). Trong một phản ứng như vậy, các neutron tự do được giải phóng bởi mỗi sự kiện phân hạch có thể kích hoạt thêm nhiều sự kiện nữa, từ đó giải phóng nhiều neutron hơn và gây ra sự phân hạch nhiều hơn.
Các đồng vị nguyên tố hóa học có thể duy trì phản ứng chuỗi phân hạch được gọi là nhiên liệu hạt nhân và được cho là phân hạch. Các nhiên liệu hạt nhân phổ biến nhất là 235U (đồng vị của urani có số khối lớn 235 và được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân) và 239Pu (đồng vị của plutoni với số khối là 239). Những nhiên liệu này tách ra thành một loạt các nguyên tố hóa học với khối lượng nguyên tử tập trung gần 95 và 135 u (sản phẩm phân hạch). Hầu hết các nhiên liệu hạt nhân chỉ trải qua quá trình phân hạch tự phát rất chậm, thay vào đó phân rã chủ yếu thông qua chuỗi phân rã alpha - beta qua các thiên niên kỷ đến các eons. Trong một lò phản ứng hạt nhân hoặc vũ khí hạt nhân, phần lớn các sự kiện phân hạch được gây ra bởi sự bắn phá với một hạt khác, neutron, được tạo ra bởi các sự kiện phân hạch trước đó.
Phản ứng phân hạch hạt nhân trong nhiên liệu phân hạch là kết quả của năng lượng kích thích hạt nhân được tạo ra khi hạt nhân phân hạch bắt giữ neutron. Năng lượng này, kết quả từ sự bắt giữ neutron, là kết quả của lực hạt nhân hấp dẫn tác động giữa neutron và hạt nhân. Nó đủ để làm biến dạng hạt nhân thành một "giọt" hai thùy, đến mức các mảnh hạt nhân vượt quá khoảng cách mà lực hạt nhân có thể giữ hai nhóm hạt nhân tích điện lại với nhau và khi điều này xảy ra, hai mảnh vỡ hoàn thành sự phân tách của chúng và sau đó bị đẩy ra xa nhau bởi các lực đẩy lẫn nhau, trong một quá trình trở nên không thể đảo ngược với khoảng cách ngày càng lớn hơn. Một quá trình tương tự xảy ra ở các đồng vị phân hạch (như urani-238), nhưng để phân hạch, các đồng vị này đòi hỏi năng lượng bổ sung được cung cấp bởi các neutron nhanh (như các phản ứng tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân trong vũ khí hạt nhân).
Mô hình giọt chất lỏng của hạt nhân nguyên tử dự đoán các sản phẩm phân hạch có kích thước bằng nhau là kết quả của biến dạng hạt nhân. Mô hình vỏ hạt nhân tinh vi hơn là cần thiết để giải thích một cách cơ học con đường dẫn đến kết quả thuận lợi hơn về mặt năng lượng, trong đó một sản phẩm phân hạch nhỏ hơn một chút so với sản phẩm khác. Một lý thuyết phân hạch dựa trên mô hình vỏ đã được Maria Goeppert Mayer đưa ra.
Quá trình phân hạch phổ biến nhất là phân hạch nhị phân, và nó tạo ra các sản phẩm phân hạch được ghi chú ở trên, ở mức 95±15 và 135±15 u. Tuy nhiên, quá trình nhị phân xảy ra chỉ vì nó là xác suất cao nhất. Ở bất cứ nơi nào từ 2 đến 4 phân hạch trên 1000 trong lò phản ứng hạt nhân, một quá trình gọi là phân hạch ternary tạo ra ba mảnh tích điện dương (cộng với neutron) và nhỏ nhất trong số này có thể dao động từ một điện tích và khối lượng nhỏ như một proton (Z=1), một mảnh lớn như argon (Z=18). Tuy nhiên, các mảnh nhỏ phổ biến nhất bao gồm 90% hạt nhân helium-4 có nhiều năng lượng hơn các hạt alpha từ phân rã alpha (được gọi là "hạt alpha tầm xa" tại ~16MeV), cộng với hạt nhân helium-6 và triti (hạt nhân của triti). Quá trình ternary ít phổ biến hơn, nhưng cuối cùng vẫn tạo ra sự tích tụ khí helium-4 và triti đáng kể trong các thanh nhiên liệu của các lò phản ứng hạt nhân hiện đại.