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易裂变材料

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在核工程中，易裂变材料（英語：fissile material）[1]指的是有能力维持核裂变的链式反应的一种材料。根据定义，易裂变材料可以通过任意能量的中子来维持链式反应，而主要的中子能量可能是慢中子或者快中子。易裂变材料可以用作以下设备的核燃料：

可裂变材料与易裂变材料

可裂变材料（fissionable material）与本條目易裂变材料（fissile material）不同。fissionable一詞指的是任何原子核可以发生核裂变的核種（即使機率很低）[2]，而易裂变材料（fissile materials）特指那些俘获低能量中子後即有高機率发生裂变，从而具有维持链式反应的能力之核種。[3]例如钚-239是易裂变材料，而钚-240只能在快中子的作用下发生裂变，因此仅仅是可裂变材料。故易裂变材料是可裂变材料中的一少部分，即所有的易裂变材料都可以发生裂变，但并不是所有可裂变材料都是易裂变材料。

铀-238是一种典型的可裂变材料，但是无法维持中子的链式反应。铀-235裂变产生的中子能量大约是2百万电子伏特（相当于20000千米/秒），仅仅有一小部分有足够的能量使铀-238发生裂变。但是氘氚核聚变反应产生的中子的能量达到14.1百万电子伏特（相当于52000千米/秒），可以很有效的使铀-238和其它不是易裂变材料的超铀元素發生裂变。但是铀-238裂变产生的中子的能量仍然无法使其他铀-238原子发生裂变，因此铀-238无法维持链式反应。核武器爆炸的第二阶段中铀-238的快速核裂变可以大幅度提升核武器当量，同时也产生了大量的放射性尘埃。铀-238的快速核裂变同时也是一些快速核反应堆的能量的主要来源。

在武器控制的条约中，特别是禁止生产核武器用裂变材料条约的提案中，易裂变材料通常專指主要用于核武器中的易裂变材料[4] 。这些材料可以维持有爆炸性的裂变链式反应。符合这个定义但不符合通常核物理中定义的材料是镎-237。

哪些核素是易裂变材料？

锕系元素和裂变产物的半衰期
依衰变链分类的锕系元素[5] 半衰期范围 依裂变产额（英语：Fission product yield）分类的裂变产物[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
232U ƒ 238Pu 243Cm ƒ 29～100年 137Cs 151Sm þ 121mSn
248Bk[7] 249Cf ƒ 242mAm ƒ 100～400年 ↑中等寿命裂变产物

没有半衰期为
100年至21万年
的裂变产物

↓长寿命裂变产物
241Am 251Cf ƒ[8] 400～1000年
226Ra 247Bk 1000～2000年
240Pu 229Th 246Cm 243Am 2000～8000年
245Cm ƒ 250Cm 239Pu ƒ 8000～3万年
230Th 231Pa 3～10万年
236Np ƒ 233U ƒ 234U 10～30万年 99Tc 126Sn
248Cm 242Pu 30～140万年 135Cs 79Se
237Np 140～700萬年 93Zr 107Pd
236U 247Cm ƒ 700～3000萬年 129I
244Pu 3000万～1亿年 也没有半衰期超过
2000万年的裂变产物[9]
232Th 238U 235U ƒ 1～150億年

根据易裂变材料规则（Ronen Fissile rule）[10]，對於90 ≤ Z ≤ 100的重元素，其2 × Z − N = 43 ± 2的同位素大多為易裂变材料，僅有少數例外。[11][12][註 1]

一般来说，大多数具有奇数个中子的錒系元素同位素都是易裂变材料。大多数核燃料中的可分裂核種之質量數為奇数、質子數為偶数，故中子数為奇数。而質子和中子數皆為偶數的核種，如果其處於貝他衰變穩定等壓線（英语：Beta-decay stable isobars）附近的话，其將比其他核種來得更稳定，因此更不容易发生裂变，也不容易自发裂变，他们發生α衰变或β衰变的半衰期也相對較長，例如長壽的原始放射性核種（英语：Primordial nuclide）铀-238和钍-232。另一方面，質子和中子數皆為奇數的核種寿命大都比较短，因为他们很容易发生β衰变，产生具有偶数个中子、偶数个质子的核種，而这些核種更加稳定。

核燃料

能够称为核裂变反应堆的核燃料的材料需要：

  • 处在束缚能量曲线上裂变链式反应可能的区域。
  • 发生中子俘获后有较大比例发生裂变。
  • 俘获一个中子以后平均能放出两个或者更多的中子，这样可以补偿不发生裂变以及被中子减速剂吸收的中子。
  • 半衰期比较长。
  • 可以提供合适的储量。
可裂变核素的中子俘获/裂变比例
热中子 超热中子
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%

核燃料中的可裂变核素包括以下几种：

易裂变材料的核素俘获一个中子后并不一定会发生裂变。发生裂变的概率取决于原子核的种类和中子的能量。对于低能中子和中等能量的中子，中子俘获发生裂变的反应截面为(σF)，而俘获后放出γ射线的反应截面为 (σγ)，不发生裂变的比例如右表所示。

合法控制

国际原子能机构根据易裂变材料运输时的安全需求曾经将它们分成如下几类[13][14]：

  • 第一类：没有控制
  • 第二类：材料运输量受限
  • 第三类：运输时需要特殊安排

但是这些类别在二十世纪九十年代中期被替换了[15]。

註釋

  1. ^ 由此規則可推導出有33種核種可能為可裂变物质：釷-225、227、229；鏷-228、230、232；鈾-231、233、235；錼-234、236、238；鈽-237、239、241；鋂-240、242、244；鋦-243、245、247；鉳-246、248、250；鉲-249、251、253；鑀-252、254、256；鐨-255、257、259。其中只有十四種核種的半衰期長達一年以上（包括同核異構體）：釷-229、鈾-233、鈾-235、錼-236、鈽-239、鈽-241、鋂-242m、鋦-243、鋦-245、鋦-247、鉳-248、鉲-249、鉲-251和鑀-252，而當中只有鈾-235為天然存在的核種，至於鈾-233和鈽-239則分別可藉由普遍的天然核種釷-232和鈾-238俘獲單個中子而生成，其他可分裂核種則需通過進一步的中子俘獲才能生成微小的量。

参考文献

  1. ^ 易裂变材料-术语在线—权威的术语知识服务平台. termonline.cn. [28 August 2023]. 含有一种或几种易裂变核素的材料。在适当条件下它可用做核燃料、原子弹装料和氢弹引爆材料。 
  2. ^ NRC: Glossary -- Fissionable material. www.nrc.gov. 
  3. ^ Slides-Part one: Kinetics. UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering. [3 January 2013]. 
  4. ^ Fissile Materials and Nuclear Weapons （页面存档备份，存于互联网档案馆）, International Panel on Fissile Materials
  5. ^ 虽然镭不是锕系元素，但它紧接在锕系元素锕之前，且有半衰期超过4年，可被列入此表中的同位素，因此镭也被列入其中。
  6. ^ 此表列出的是热中子轰击235U的裂变产额。
  7. ^ Milsted, J.; Friedman, A. M.; Stevens, C. M. The alpha half-life of berkelium-247; a new long-lived isomer of berkelium-248. Nuclear Physics. 1965, 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4. 
  8. ^ 是所有半衰期超过四年的同位素中最重的
  9. ^ 半衰期远长于232Th，基本可视为稳定的衰变产物被排除在外，如半衰期8×1015年的113Cd。
  10. ^ Nuclear Science and Engineering -- ANS / Publications / Journals / Nuclear Science and Engineering. 
  11. ^ Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152:3, pages 334-335. [1]
  12. ^ Ronen, Y. Some remarks on the fissile isotopes. Annals of Nuclear Energy. 2010, 37 (12): 1783–1784. doi:10.1016/j.anucene.2010.07.006. 
  13. ^ Safe Transport of Radioactive Materials, International Atomic Energy Agency, 1964
  14. ^ 10CFR71, 49CFR173.403
  15. ^ 49CFR & 10CFR71 changes. [2011-01-07]. （原始内容存档于2022-03-04）. 

参见

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