核工程中,易裂變材料(英語:fissile material[1]指的是有能力維持核裂變連鎖反應的一種材料。根據定義,易裂變材料可以通過任意能量的中子來維持連鎖反應,而主要的中子能量可能是慢中子或者快中子。易裂變材料可以用作以下設備的核燃料

可裂變材料與易裂變材料

可裂變材料(fissionable material)與易裂變材料(fissile material)不同。可裂變指任何不論俘獲高或低能量中子,原子核皆可發生核裂變的核種(即使概率很低)[2],而易裂變材料指那些俘獲低能量中子後即有高概率發生裂變,從而具有維持連鎖反應的能力的核種。[3]例如鈈-239是易裂變材料,而鈈-240只能在快中子的作用下發生裂變,因此僅僅是可裂變材料。故易裂變材料是可裂變材料中的一少部分,即所有的易裂變材料都可以發生裂變,但並不是所有可裂變材料都是易裂變材料。

鈾-238是一種典型的可裂變材料,但是無法維持中子的連鎖反應。鈾-235裂變產生的中子能量大約是2百萬電子伏特(相當於20000千米/秒),僅僅有一小部分有足夠的能量使鈾-238發生裂變。但是核聚變反應產生的中子的能量達到14.1百萬電子伏特(相當於52000千米/秒),可以很有效的使鈾-238和其它不是易裂變材料的超鈾元素發生裂變。但是鈾-238裂變產生的中子的能量仍然無法使其他鈾-238原子發生裂變,因此鈾-238無法維持連鎖反應。核武器爆炸的第二階段中鈾-238的快速核裂變可以大幅度提升核武器當量,同時也產生了大量的放射性塵埃。鈾-238的快速核裂變同時也是一些快速核反應堆的能量的主要來源。

在武器控制的條約中,特別是禁止生產核武器用裂變材料條約的提案中,易裂變材料通常專指主要用於核武器中的易裂變材料[4] 。這些材料可以維持有爆炸性的裂變連鎖反應。符合這個定義但不符合通常核物理中定義的材料是鎿-237

哪些核種是易裂變材料?

More information 半衰期範圍, 4n ...
衰變鏈分類的錒系元素[5] 半衰期範圍 裂變產額英語Fission product yield分類的裂變產物[6]
4n 4n + 1 4n + 2 4n + 3 4.5–7% 0.04–1.25% <0.001%
228Ra 4~10年 155Eu þ
244Cm 241Pu ƒ 250Cf 227Ac 10~29年 90Sr 85Kr 113mCd þ
232ƒ 238Pu 243Cm ƒ 29~100年 137Cs 151Sm þ 121mSn
248Bk[7] 249Cf ƒ 242mAm ƒ 100~400年 中等壽命裂變產物

沒有半衰期為
100年至21萬年
的裂變產物

長壽命裂變產物
241Am 251Cf ƒ[8] 400~1000年
226Ra 247Bk 1000~2000年
240Pu 229Th 246Cm 243Am 2000~8000年
245Cm ƒ 250Cm 239Pu ƒ 8000~3萬年
230Th 231Pa 3~10萬年
236Np ƒ 233ƒ 234U 10~30萬年 99Tc 126Sn
248Cm 242Pu 30~140萬年 135Cs 79Se
237Np 140~700萬年 93Zr 107Pd
236U 247Cm ƒ 700~3000萬年 129I
244Pu 3000萬~1億年 也沒有半衰期超過
2000萬年的裂變產物[9]
232Th 238U 235ƒ 1~150億年
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根據易裂變材料規則(Ronen Fissile rule)[10],對於90 ≤ Z ≤ 100的重元素,其2 × ZN = 43 ± 2同位素大多為易裂變材料,僅有少數例外。[11][12][註 1]

一般來說,大多數具有奇數個中子的錒系元素同位素都是易裂變材料。大多數核燃料中的可裂變核種之質量數為奇數、質子數為偶數,故中子數為奇數。而質子和中子數皆為偶數的核種,如果其處於β穩定線英語Beta-decay stable isobars附近的話,其將比其他核種來得更穩定,因此更不容易發生裂變,也不容易自發裂變,他們發生α衰變β衰變的半衰期也相對較長,例如長壽的原始放射性核種英語Primordial nuclide鈾-238和釷-232。另一方面,質子和中子數皆為奇數的核種壽命大都比較短,因為他們很容易發生β衰變,產生具有偶數個中子、偶數個質子的核種,而這些核種更加穩定。

核燃料

能夠稱為核裂變反應堆的核燃料的材料需要:

  • 處在束縛能量曲線上裂變連鎖反應可能的區域。
  • 發生中子俘獲後有較大比例發生裂變。
  • 俘獲一個中子以後平均能放出兩個或者更多的中子,這樣可以補償不發生裂變以及被中子減速劑吸收的中子。
  • 半衰期比較長。
  • 可以提供合適的儲量。
More information 熱中子, 超熱中子 ...
可裂變核種的中子俘獲/裂變比例
熱中子 超熱中子
σF σγ % σF σγ %
531 46 8.0% 233U 760 140 16%
585 99 14.5% 235U 275 140 34%
750 271 26.5% 239Pu 300 200 40%
1010 361 26.3% 241Pu 570 160 22%
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核燃料中的可裂變核種包括以下幾種:

易裂變材料的核種俘獲一個中子後並不一定會發生裂變。發生裂變的概率取決於原子核的種類和中子的能量。對於低能中子和中等能量的中子,中子俘獲發生裂變的反應截面為(σF),而俘獲後放出γ射線反應截面為 (σγ),不發生裂變的比例如右表所示。

合法控制

國際原子能總署根據易裂變材料運輸時的安全需求曾經將它們分成如下幾類[13][14]

  • 第一類:沒有控制
  • 第二類:材料運輸量受限
  • 第三類:運輸時需要特殊安排

但是這些類別在二十世紀九十年代中期被替換了[15]

註釋

參考文獻

參見

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