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易裂變材料

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在核工程中，易裂變材料（英語：fissile material）[1]指的是有能力維持核裂變的鏈式反應的一種材料。根據定義，易裂變材料可以通過任意能量的中子來維持鏈式反應，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（即使機率很低）[2]，而易裂變材料指那些俘獲低能量中子後即有高機率發生裂變，從而具有維持鏈式反應的能力的核種。[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鏈式反應。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。但是氘氚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無法維持鏈式反應。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鏈式反應。符合這個定義但不符合通常核物理中定義的材料是鎿-237。

哪些核素是易裂變材料？

錒系元素和裂變產物的半衰期
依衰變鏈分類的錒系元素[5] 半衰期範圍 依裂變產額（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
232U ƒ 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 233U ƒ 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 235U ƒ 1～150億年

根據易裂變材料規則（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分裂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衰變或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鏈式反應可能的區域。
  • 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。
可裂變核素的中子俘獲/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%

核燃料中的可裂變核素包括以下幾種：

易裂變材料的核素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射線的反應截面為 (σγ)，不發生裂變的比例如右表所示。

合法控制

國際原子能機構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

  1. ^ 由此規則可推導出有33種核種可能為可裂變物質：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。

參考文獻

  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]. （原始內容存檔於2023-08-28）. 含有一種或幾種易裂變核素的材料。在適當條件下它可用做核燃料、原子彈裝料和氫彈引爆材料。 
  2. ^ NRC: Glossary -- Fissionable material. www.nrc.gov. [2023-08-04]. （原始內容存檔於2022-12-01）. 
  3. ^ Slides-Part one: Kinetics. UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering. [3 January 2013]. （原始內容存檔於2019-04-02）. 
  4. ^ Fissile Materials and Nuclear Weapons （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, International Panel on Fissile Materials
  5. ^ 雖然鐳不是錒系元素，但它緊接在錒系元素錒之前，且有半衰期超過4年，可被列入此表中的同位素，因此鐳也被列入其中。
  6. ^ 此表列出的是熱中子轟擊235U的裂變產額。
  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. ^ 是所有半衰期超過四年的同位素中最重的
  9. ^ 半衰期遠長於232Th，基本可視為穩定的衰變產物被排除在外，如半衰期8×1015年的113Cd。
  10. ^ Nuclear Science and Engineering -- ANS / Publications / Journals / Nuclear Science and Engineering. [2023-08-04]. （原始內容存檔於2017-12-27）. 
  11. ^ Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152:3, pages 334-335. [1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  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]. （原始內容存檔於2022-03-04）. 

參見

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