Phản ứng phân hạch
Tổng quan về vật lý > Năng lượng > Đầu ra

Các sự kiện phân hạch điển hình phát hành khoảng hai trăm triệu eV (200   MeV) năng lượng, tương đương khoảng 2 nghìn tỷ Kelvin, cho mỗi sự kiện phân hạch. Đồng vị chính xác được phân hạch, và nó có thể phân hạch hay phân hạch hay không, chỉ có tác động nhỏ đến lượng năng lượng được giải phóng. Điều này có thể dễ dàng nhìn thấy bằng cách kiểm tra đường cong của năng lượng liên kết (hình ảnh bên dưới) và lưu ý rằng năng lượng liên kết trung bình của các hạt nhân actinide bắt đầu bằng uranium là khoảng 7,6 MeV mỗi nucleon. Nhìn xa hơn về đường cong của năng lượng liên kết, trong đó cụm sản phẩm phân hạch, có thể dễ dàng quan sát thấy rằng năng lượng liên kết của các sản phẩm phân hạch có xu hướng tập trung vào khoảng 8,5 MeV mỗi nucleon. Do đó, trong bất kỳ sự kiện phân hạch nào của một đồng vị trong phạm vi khối lượng của Actinide, khoảng 0,9 MeV được giải phóng trên mỗi nucleon của nguyên tố ban đầu. Sự phân hạch của U235 bởi một neutron chậm mang lại năng lượng gần như tương đương với sự phân hạch của U238 bởi một neutron nhanh. Hồ sơ giải phóng năng lượng này đúng với thorium và các loại actinide nhỏ khác nhau.
Ngược lại, hầu hết các phản ứng oxy hóa hóa học (như đốt than hoặc TNT) giải phóng tối đa một vài eV mỗi sự kiện. Vì vậy, nhiên liệu hạt nhân chứa ít nhất mười   năng lượng có thể sử dụng gấp triệu lần trên mỗi đơn vị khối lượng so với nhiên liệu hóa học. Năng lượng của phản ứng phân hạch hạt nhân được giải phóng dưới dạng động năng của các sản phẩm và mảnh phân hạch, và dưới dạng bức xạ điện từ dưới dạng tia gamma; trong lò phản ứng hạt nhân, năng lượng được chuyển thành nhiệt khi các hạt và tia gamma va chạm với các nguyên tử tạo nên lò phản ứng và chất lỏng làm việc của nó, thường là nước hoặc đôi khi là nước nặng hoặc muối nóng chảy.
Khi một hạt nhân urani phân thành hai mảnh hạt nhân con, khoảng 0,1 phần trăm khối lượng của hạt nhân urani  xuất hiện dưới dạng năng lượng phân hạch ~ 200 MeV. Đối với urani-235 (tổng năng lượng phân hạch trung bình 202,79 MeV ), thường là ~ 169 MeV xuất hiện dưới dạng động năng của hạt nhân con gái, chúng bay ra với tốc độ khoảng 3% tốc độ ánh sáng, do lực đẩy Coulomb. Ngoài ra, trung bình là 2,5   neutron được phát ra, với động năng trung bình trên mỗi neutron là ~ 2 MeV (tổng cộng 4,8 MeV). Phản ứng phân hạch cũng giải phóng ~ 7 MeV trong các photon tia gamma tức thời. Hình sau có nghĩa là một vụ nổ phân hạch hạt nhân hoặc tai nạn nghiêm trọng phát ra khoảng 3,5% năng lượng của nó dưới dạng tia gamma, ít hơn 2,5% năng lượng của nó là neutron nhanh (tổng cộng cả hai loại bức xạ ~ 6%) và phần còn lại là động năng năng lượng của các mảnh phân hạch (điều này xuất hiện gần như ngay lập tức khi các mảnh vỡ tác động xung quanh vật chất, dưới dạng nhiệt đơn giản). Trong một quả bom nguyên tử, sức nóng này có thể phục vụ để tăng nhiệt độ của lõi bom lên 100   triệu kelvin và gây ra sự phát xạ thứ cấp của tia X mềm, chuyển đổi một phần năng lượng này thành bức xạ ion hóa. Tuy nhiên, trong các lò phản ứng hạt nhân, động năng phân hạch vẫn là nhiệt độ thấp, chính nó gây ra ít hoặc không bị ion hóa.
Cái gọi là bom neutron (vũ khí bức xạ tăng cường) đã được chế tạo để giải phóng một phần năng lượng lớn hơn của chúng dưới dạng bức xạ ion hóa (cụ thể là neutron), nhưng đây đều là những thiết bị nhiệt hạch dựa vào giai đoạn tổng hợp hạt nhân để tạo ra bức xạ phụ. Động lực học năng lượng của bom phân hạch tinh khiết luôn duy trì ở mức năng suất khoảng 6% trong tổng lượng bức xạ, là kết quả tức thời của quá trình phân hạch.
Tổng năng lượng phân hạch nhanh lên tới khoảng 181 MeV, hoặc ~ 89% tổng năng lượng cuối cùng được giải phóng bởi quá trình phân hạch theo thời gian. ~ 11% còn lại được phát hành dưới dạng phân rã beta có thời gian bán hủy khác nhau, nhưng bắt đầu như một quá trình trong các sản phẩm phân hạch ngay lập tức; và trong phát thải gamma bị trì hoãn liên quan đến các phân rã beta này. Ví dụ, trong uranium-235, năng lượng bị trì hoãn này được chia thành khoảng 6,5 MeV trong betas, 8,8 MeV trong antineutrinos (được phát hành cùng lúc với betas), và cuối cùng, thêm 6.3 MeV trong phát xạ gamma bị trì hoãn từ các sản phẩm phân rã beta bị kích thích (với tổng số trung bình là ~ 10 phát xạ tia gamma trên mỗi phân hạch, tất cả). Do đó, khoảng 6,5% tổng năng lượng phân hạch được giải phóng một thời gian sau sự kiện, vì bức xạ ion hóa không kịp thời hoặc bị trì hoãn, và năng lượng ion hóa bị trì hoãn được chia đều giữa năng lượng tia gamma và beta.
Trong một lò phản ứng đã hoạt động được một thời gian, các sản phẩm phân hạch phóng xạ sẽ được xây dựng ở nồng độ trạng thái ổn định sao cho tốc độ phân rã của chúng bằng với tốc độ hình thành của chúng, do đó tổng đóng góp một phần của chúng vào nhiệt của lò phản ứng (thông qua phân rã beta) giống như những đóng góp phân đoạn phóng xạ này cho năng lượng phân hạch. Trong các điều kiện này, 6,5% phân hạch xuất hiện dưới dạng bức xạ ion hóa bị trì hoãn (gamma và beta bị trì hoãn từ các sản phẩm phân hạch phóng xạ) góp phần vào việc sản xuất nhiệt lò phản ứng ở trạng thái ổn định dưới nguồn điện. Đây là phần đầu ra còn lại khi lò phản ứng đột ngột ngừng hoạt động (trải qua scram). Vì lý do này, sản lượng nhiệt phân rã của lò phản ứng bắt đầu ở mức 6,5% công suất phân hạch trạng thái ổn định của lò phản ứng đầy đủ, sau khi lò phản ứng ngừng hoạt động. Tuy nhiên, trong vài giờ, do sự phân rã của các đồng vị này, sản lượng điện phân rã ít hơn nhiều. Xem nhiệt phân rã để biết chi tiết.
Phần còn lại của năng lượng bị trì hoãn (8,8 MeV / 202,5 MeV = 4,3% tổng năng lượng phân hạch) được phát ra dưới dạng phản neutrino, như một vấn đề thực tế, không được coi là "bức xạ ion hóa". Lý do là năng lượng được giải phóng dưới dạng phản neutrino không bị bắt bởi vật liệu lò phản ứng dưới dạng nhiệt và thoát trực tiếp qua tất cả các vật liệu (bao gồm cả Trái Đất) với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và vào không gian liên hành tinh (lượng hấp thụ là rất nhỏ). Bức xạ neutrino thường không được phân loại là bức xạ ion hóa, vì nó gần như không được hấp thụ hoàn toàn và do đó không tạo ra hiệu ứng (mặc dù sự kiện neutrino rất hiếm là ion hóa). Hầu như tất cả phần còn lại của bức xạ (bức xạ beta và gamma bị trì hoãn 6,5%) cuối cùng được chuyển thành nhiệt trong lõi lò phản ứng hoặc các lớp che chắn.
Một số quá trình liên quan đến neutron là đáng chú ý để hấp thụ hoặc cuối cùng mang lại năng lượng - ví dụ như động năng neutron không sinh nhiệt ngay lập tức nếu neutron bị bắt bởi một nguyên tử uranium-238 để tạo ra plutonium-239, nhưng năng lượng này được phát ra nếu plutoni-239 là sau đó phân hạch. Mặt khác, cái gọi là neutron chậm phát ra dưới dạng các sản phẩm phân rã phóng xạ có chu kỳ bán rã lên đến vài phút, từ sản phẩm con phân hạch, rất quan trọng đối với việc điều khiển lò phản ứng, bởi vì chúng cho thời gian "phản ứng" đặc trưng cho phản ứng hạt nhân tổng thể tăng gấp đôi kích thước, nếu phản ứng được chạy trong vùng " trễ tới hạn ", cố tình dựa vào các neutron này để phản ứng chuỗi siêu tới hạn (một trong đó mỗi chu kỳ phân hạch mang lại nhiều neutron hơn mức hấp thụ). Nếu không có sự tồn tại của chúng, phản ứng dây chuyền hạt nhân sẽ nhanh chóng trở nên tới hạn và tăng quy mô nhanh hơn khả năng can thiệp của con người. Trong trường hợp này, các lò phản ứng nguyên tử thử nghiệm đầu tiên sẽ chạy đến một "phản ứng tới hạn kịp thời" nguy hiểm và lộn xộn trước khi các nhà khai thác của họ có thể tự tắt chúng (vì lý do này, nhà thiết kế Enrico Fermi bao gồm các thanh điều khiển kích hoạt chống bức xạ, bị đình chỉ bằng nam châm điện, có thể tự động rơi vào trung tâm Chicago Pile-1). Nếu những neutron bị trì hoãn này bị bắt mà không tạo ra sự phân hạch, chúng cũng tạo ra nhiệt.