核燃料

　　含有易裂變核素或可聚變核素（見核素），在反應堆中可以發生自持的核反應，並連續釋放能量的材料。核燃料釋放的能量稱為核能。產生核能的核反應有兩種形式：重核分裂成兩個中等品質核的核裂變過程和兩個輕核聚合成一個較重核的核聚變過程。發生核裂變而提供能量的核素（如鈾235、鈈239和鈾233）稱為裂變核燃料(見鈾、鈈)，因發生核聚變而提供能量的核素（如氘和氚）稱為聚變核燃料。聚變核燃料又稱熱核燃料。

　　核燃料提供的能量遠比化學燃料提供供的能量大。1千克鈾235完全裂變所釋放的能量約為2×10¹⁰千卡，相當於2500噸煤完全燃燒所釋放的能量。1 千克氘聚變所釋放的能量比1千克鈾235約大3倍。核燃料蘊藏有如此巨大的能量，所以自20世紀40年代以來，越來越受到人們的重視。

　　裂變核燃料　鈾235、钚239和鈾233是三種有工業價值的裂變核燃料（通稱核燃料）。鈾235是天然存在的核素，所以被稱為原始核燃料。它在天然鈾中的豐度為0.720％，在地殼中總含量約7000億噸，具有α 放射性，半衰期7.038×10⁸年。由於它的放射性比活度低，易於操作加工，又能從天然鈾獲得，所以工業上實用的核動力堆都采用它（以天然鈾或含鈾235約3％的低濃縮鈾的形式）作核燃料。钚239必須用鈾238作原料，在反應堆中經中子轟擊發生²³⁸U(n，γ)²³⁹U俘獲反應後，經衰變才能制得。其生成方式為：

钚239具有α放射性，半衰期2.411×10⁴年。與钚239相似，鈾233必須用釷232作原料，在反應堆中經中子轟擊發生²³²Th(n，γ)²³³Th 俘獲反應後，再經衰變才能得到。其生成方式為：

鈾233具有α放射性，半衰期1.592×10⁵年。用鈾233作核燃料的優點是它在熱中子或快中子堆中都可能實現較大的轉換比，有利於生產更多的核燃料，使地殼中存在的釷資源得到利用。但鈾233生成時常伴隨有相當量的鈾232，而鈾232子體中包含著具有強γ輻射的核素，在核燃料加工時，會增加技術上的困難。钚239和鈾233必須相應地在反應堆中輻照鈾238和釷232才能得到，所以也稱次級核燃料。

　　中子鏈式反應　由附圖

可以看到：重核（圖中的裂變燃料核，即鈾235、钚239或鈾233的原子核）在中子轟擊下，分裂成兩個中等質量的裂變產物核（它們包括元素周期表中從鋅到釓的30多種元素的同位素的原子核），並放出2～3個中子，同時釋放出大量能量。所放出的中子又可以轟擊另外的裂變燃料核，繼續發生裂變，放出中子。這樣，原則上隻要有一個中子引起瞭第一次裂變，就能周而復始地引起持續不斷的中子誘發的裂變鏈式反應，並持續地釋放出具有實用價值的核能。

　　由中子鏈式反應的過程可以看到：中子與核燃料發生核反應的特性與核燃料的利用有著十分密切的關系。中子轟擊核燃料而被吸收時，除發生裂變反應放出中子外，還能發生俘獲反應，核燃料俘獲轟擊它的中子，生成核燃料的同位素，如²³⁵U(n，γ)²³⁶U、²³⁹Pu(n，γ)²⁴⁰Pu、²³³U(n，γ)²³⁴U等。俘獲反應雖然消耗中子，但鈾235、钚239、鈾233吸收中子後發生裂變反應的幾率(裂變截面)比發生俘獲反應的幾率（俘獲截面）大得多，所以都可用作核燃料（表1）。

表1　核燃料（鈾235、钚239、鈾233）的中子核反應特性

　　臨界質量　要實現自持的核裂變鏈式反應，所需易裂變材料（核燃料）不能低於一定的極限值，這個極限值稱為臨界質量。存在臨界質量的原因是：雖然核燃料裂變所產生的中子比使它發生裂變所消耗的中子多，但所生成的中子除轟擊到核燃料的原子核上外，還可能因泄漏出核燃料系統而損失，如果泄漏的份額過大，就不足以引起鏈式反應。因此必須使核燃料系統的質量足夠大，以減少中子的泄漏，鏈式反應才能實現。

　　為瞭減小臨界質量以節約核燃料，可以采取多種措施，如采用中子吸收截面小的材料作中子反射層，使泄漏出去的中子重新反射回核燃料系統；設計具有適當幾何形狀的核燃料系統以減少中子泄漏；選用適當的中子慢化劑，使更多的裂變中子慢化為熱中子以增大與核燃料發生裂變反應的截面；提高核燃料純度以減少雜質對中子的吸收等。如純鈾235在幾何形狀為球形時，臨界質量為50千克左右；采用厚度為20厘米的天然金屬鈾作反射層，則臨界質量可下降到22.8千克左右；而在硫酸鈾酰水溶液的無反射層均勻體系中，鈾235的臨界質量可降低到0.82千克（6.3升）。

　　在處理或貯存核燃料時（如在核燃料後處理廠或核燃料貯存庫中），必須註意防止發生超臨界質量事故。這可以采取與上述相反的措施來達到。

　　核燃料的轉換　由核燃料的中子特性可見：鈾235、钚239或鈾233吸收一個中子後所產生的中子除維持鏈式反應外，還有相當數量的剩餘可用於將鈾238或釷232分別轉變成钚239或鈾233。這種轉變成核燃料的過程稱為核燃料的轉換。生成的核燃料的核數與為產生中子而消耗掉的核燃料的核數之比稱為轉換比。當轉換比大於1時稱為增殖，這時就可以使核燃料的產生大於消耗，得到核燃料的凈增。三種核燃料可能的最大轉換比見表2。表中所列轉換比雖然都大於1，但在實際應用中的轉換比要比表中所列的小。隻有當表中值大於1.1時，才有可能得到核燃料的增殖。

表2　核燃料（鈾235、钚239、鈾233）的轉換比

　　用天然鈾或低濃鈾作燃料，實際上是一種易裂變核素(鈾235)和可轉換核素（鈾238）的組合燃料。與此類似，也可以采用其他組合形式的混合物作燃料，以生產用於不同目的的核燃料，例如，钚239-鈾238組合、鈾233-釷232組合等。

　　核燃料元件　固體核燃料需要制成一定形式的核燃料元件才能送進反應堆。這是因為：核燃料及其裂變產物都是具有放射性的核素，必須將它們與環境介質嚴格地隔離開；核燃料在反應堆中還要經受中子和γ射線輻照以及其他嚴重的物理和化學侵蝕。因此，需要將核燃料轉化成合適的化學狀態並密封包裝在合適的包殼中，制成核燃料元件，以保證反應堆安全運行。工業用的鈾燃料可以采用金屬、化合物或合金等形式。金屬鈾有熔點低、硬度低並易發生相變等缺點，所以不宜用在功率較高的反應堆中。用鈾的氧化物(UO₂)或碳化物(UC)制成的陶瓷型燃料能耐高溫並具有較高的強度，是動力堆常用的燃料形式。

　　核燃料包殼的材料應具有對中子的吸收截面小、耐腐蝕、機械強度高等性質，低溫水堆通常用純鋁，中溫水堆用鋁合金，高溫水堆用不銹鋼或鋯合金。

　　聚變核燃料(熱核燃料)　兩個輕元素的原子核發生核反應時，能聚合成一個較重元素的原子核，同時釋放出巨大的能量。這種反應稱為聚變反應。參與聚變反應的輕核素，必須具有相當高的能量。使輕核素具有高能量的一種方式是提高輕核素的溫度，在幾兆度的高溫下，就能引起聚變反應，所釋放的能量能繼續維持高溫，從而使聚變反應持續進行。這種自持的聚變反應是取得原子能的另一重要途徑。由於聚變反應是在極高溫度下進行的核反應，所以又稱熱核反應。產生聚變反應所用的輕核素稱為聚變核燃料，又稱熱核燃料。人工熱核反應首先在氫彈爆炸中實現。用於工業目的的可控聚變反應堆還處於研究試驗階段。

　　熱核燃料有氘(D)、氚(T)和鋰6(⁶Li)三種核素。鋰6是轉換成氚的原料。氘和氚主要通過下述聚變釋放能量：

D+D─→³He+n+3.25MeV

D+D─→³T+p+4.0MeV

D+T─→⁴He+n+17.6MeV

上述反應在高溫下就能進行，不受熱核燃料數量的限制。

　　氘又稱重氫，是氫的穩定同位素，它存在於自然界中。天然水中含有氘水（重水）0.02％，由於大量海水的存在，可以說氘是取之不盡的能源。

　　氚又稱超重氫，是氫的放射性同位素。氚具有β^-放射性，半衰期12.323年。它是用鋰6在反應堆中俘獲中子產生的。其生成核反應為：

⁶Li+n→T+⁴He+4.8MeV

與(D，D)聚變反應相比，引發(D，T)聚變反應所需的溫度較低而釋放的能量較高，所以采用氘、氚混合物作燃料，比隻用穩定的氘作燃料更容易實現熱核反應。

　　鋰6是天然存在的核素，它在天然鋰中的同位素豐度為7.5％（其餘為鋰7）。鋰在地殼中的平均含量為5×10^-3％（重量），比鈾、釷的含量豐富。

　　

參考書目

　M.班乃迪等著，汪德熙等譯：《核化學工程》，原子能出版社，北京，1987。(M.Benedict，et al.，NuclearChemical Engineering，2nd ed.，McGraw-Hill，New York，1981.)

　G.R.Choppin and J.Rydberg，Nuclear Chemistry，Pergamon，Oxford，1980.