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主題:核技術/特色條目/2

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235U 原子核的一種裂變過程,235U 原子核吸收一個中子,變成236U 原子核,然後236U 原子核分裂成二個快速運動的較小原子核,並釋放三個中子,同時也會產生伽馬射線(圖中未繪出)

核分裂(英語:Nuclear fission),在中國大陸稱作核裂變,是指由較重的(原子序數較大的)原子,主要是指,分裂成較輕的(原子序數較小的)原子的一種核反應放射性衰變形式。核分裂是由莉澤·邁特納奧托·哈恩奧托·羅伯特·弗里施等科學家在1938年發現。原子彈以及核電站的能量來源都是核分裂。早期原子彈應用鈽-239為原料製成。而鈾-235裂變在核電廠最常見。

重核原子經中子撞擊後,分裂成為兩個較輕的原子,同時釋放出數個中子,並且以伽馬射線的方式釋放光子。釋放出的中子再去撞擊其它的重核原子,從而形成鏈式反應而自發分裂。原子核分裂時除放出中子還會放出熱,核電廠用以發電的能量即來源於此。因此核分裂產物的結合能需大於反應物的的結合能。

核分裂會將化學元素變成另一種化學元素,因此核分裂也是核遷變的一種。所形成的二個原子質量會有些差異,以常見的可裂變物質同位素而言,形成二個原子的質量比約為3:2。大部份的核分裂會形成二個原子,偶爾會有形成三個原子的核分裂,稱為三分裂變英語ternary fission,大約每一千次會出現二至四次,其中形成的最小產物大小介於質子原子核之間。

現代的核分裂多半是刻意產生,由中子撞擊引發的人造核反應,偶爾會有自發性的,因放射性衰變產生的核分裂,後者不需要中子的引發,特別會出現在一些質量數非常高的同位素,其產物的組成有相當的機率性甚至混沌性,和質子發射α衰變集群衰變英語cluster decay等單純由量子穿隧產生的裂變不同,後面這些裂變每次都會產生相同的產物。原子彈以及核電站的能量來源都是核分裂。核燃料是指一物質當中子撞擊引發核分裂時也會釋放中子,因此可以產生鏈式反應,使核分裂持續進行。在核電站中,其能量產生速率控制在一個較小的速率,而在原子彈中能量以非常快速不受控制的方式釋放。

由於每次核分裂釋放出的中子數量大於一個,因此若對鏈式反應不加以控制,同時發生的核分裂數目將在極短時間內以幾何級數形式增長。若聚集在一起的重核原子足夠多,將會瞬間釋放大量的能量。原子彈便應用了核分裂的這種特性。製成原子彈所使用的重核含量,需要在90%以上。

核能發電應用中所使用的核燃料,鈾-235的含量通常很低,大約在3%到5%,因此不會產生核爆。但核電廠仍需要對反應爐中的中子數量加以控制,以防止功率過高造成爐心熔毀的事故。通常會在反應爐的慢化劑中添加,並使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核分裂速度。從鎘以後的所有元素都能分裂。

核分裂時,大部分的分裂中子均是一分裂就立即釋出,稱為瞬發中子,少部分則在之後(一至數十秒)才釋出,稱為延遲中子。