为什么只能用铀和钚做核燃料呢?

作为一名核电从业者解答下这个问题,首先纠正提问者的观点,并不是任何物质裂变都能产生巨大能量,笼统的说只有重核裂变和轻核聚变才可以放出能量,核裂变属于重核裂变。

图释:比结合能曲线,曲线右侧重核裂变释能,左侧的聚变释能。

那么为什么常用的核燃料只有铀和钚呢?

1、目前核燃料大多数是易裂变核素,如铀235和钚239,这类原子核在中子能量很低的情况下即可与中子发生核反应,专业术语表达是可以与热中子发生裂变反应。而可裂变核素需要中子能量超过一定的阈值才能发生的裂变,如铀238在低能量下核裂变的几率是很低的。


2、核材料除了考虑发生核反应的概率大小(专业术语表达是反应截面的大小)还需要考虑材料的特性,比如:

  • 辐照稳定性好,在中子辐射下不会发生肿胀变形;
  • 热稳定性好,当温度变化时不会发生大的形变,热应力小;

  • 耐腐蚀性好,虽然燃料外壳有燃料包壳,但在正常功率运行时,难免会出现包壳破损的现象,这时冷却剂就会与燃料棒直接接触,所以要求燃料的耐腐蚀性高;
  • 易加工,为满足工业需要,加工难度不能太大,加工制造工艺必须目前的工业水平可以达到。

综上选用了二氧化铀陶瓷燃料芯块的含钚燃料。

爱因斯坦的质能方程揭示了质量和能量的关系,理论上来说任何微小的质量都对应着巨大的能量,但实际应用和理论总会有一些差别


二战时期的原子弹与现在的核电站都是利用重核裂变的原理来释放能量的,美国当初投在广岛的“小男孩”就是一颗以铀235为裂变原料的原子弹,第二次投在长崎的“胖子”是以钚239为裂变原料的原子弹。

早期的原子弹之所以要选择铀和钚作为裂变燃料就是因为它们需要的温度和压力都是当时的技术条件能达到的,铀235为原料的原子弹爆炸方法非常简单,只需要将总质量16.9公斤以上的两块铀235以高速撞到一起就能触发不可控的链式反应,也就是原子弹爆炸。

钚239为原料的原子弹需要的质量比铀弹少而且威力还比铀弹大,抛开战争因素不谈,和平年代的核电站主要目的是让链式反应可控且平稳的运行下去,同时还需要释放可观的能量,不然就亏本了。

现在我们能做到的只有可控核裂变,能量释放更为可观而且无污染的可控核聚变还在实验阶段,暂时无法投入商用,而铀和钚的半衰期长且稳定性强,尽管核废料的污染性仍然无法解决,但核能最为人类安全系数最高的能源,还是被各国所青睐。

现在有些国家已经开始尝试用钍元素实施可控核裂变了,毕竟它的含量足够丰富而且要比铀元素更加安全

答:铀和钚是人类目前主要的核裂变材料,理论上很多元素都可以作为核裂变材料。


目前人类还无法实现商用的可控核聚变,但是核裂变技术非常成熟,比如美国有大约五分之一的电能,都来自于核电厂,美国核电厂数量有100多座,占全世界的四分之一。

目前核电厂的裂变材料有铀和钚两种,超铀元素一般是不稳定的,会发生衰变现象,所以理论上绝大部分超铀元素,都可以作为核裂变材料。


而核电厂需要稳定、安全地输出核能,这就对核裂变材料有一定要求,比如铀元素就具有如下特点:

(1)铀在自然界中大量存在,提取成本不高,至少可以达到商业用途;

(2)铀可以进行自发衰变,衰变的半衰期长,便于储存和运输;

(3)铀吸收中子后,会发生裂变,裂变过程会释放更多的中子,从而引发链式反应,所以铀元素裂变过程能自发维持;

(4)控制中子数量,可以达到控制铀元素裂变的速度,这对核电厂的能量输出来说非常方便;

(5)虽然铀元素裂变的质能转化率很低,但是单位质量铀元素,裂变时释放能量是巨大的,相当于2000吨标准煤燃烧释放的能量;

……

铀和钚以外的超铀元素,存在许多问题,比如在地壳中的含量低,半衰期太短难以储存,或者裂变过程无法有效控制等等。

正是以上原因,决定了目前核裂变的材料为铀和钚,但是铀和钚也存在缺点,它们的裂变过程会释放大量中子,中子不带电,穿透能力强,会对生物造成严重的伤害,也就是核辐射。


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为什么只能用铀和钚做核燃料呢?

爱因斯坦的质能方程看上去是普适性的,从氢元素聚变到重元素,从重元素衰变成其他元素等都会释放出巨大的能量,但事实上我们人类技术有限,因此在这个材料选择的时候就有很高的要求了!

上图是各种元素在恒星内核燃烧所需要的温度,是不是发现氢元素的要求并不高,我们ITER装置内部完全可以达到吧,其实这上面忽略了一个要求,就是至少1%太阳质量的产生的内核压力!因此我们依然无法实现,更不要说氢元素以后的元素了!即使我们现在正在研究的可控聚变对象也是氚氘(氢的同位素)聚变!

当然另一条就是重元素的裂变,理论上绝大部分超铀元素都是可以作为核裂变堆的燃料!那么我们为什么只选择了铀和钚元素呢?因为我们在选择上还有别的要求,比如:

一、半衰期不能太短,否则提取出来之后还没有使用就衰变过半了,这燃料简直就没法用啊

二、提取成本必须要低,否则商业化的第一个条件就被咔嚓了!

三、能自持裂变,并且可以链式反应!

四、裂变过程必须有手段可控,否则就成为原子弹了…..

能满足这个要求的就是铀元素,比如用作核裂变堆燃料的铀235的半衰期长达7亿年,而铀235的原子核获得一个中子后分裂的同时还能释放出多个中子产生链式反应效果,但未超过临界质量之前,大部分中子将被通过原子核的空间溜出铀材料之外,但在超过临界质量之后,这些乱跑的中子就有可能撞到第二个原子核而发生不受控制的链式反应!将正式成为一颗原子弹!因此我们在准备核材料成品时必须要小于临界质量!

铀235的临界质量为:15KG

钚239的临界质量为:5KG

这里不得不提一下日本东海村核临界事故,工人在制造硝酸铀酰的过程中,为了节省时间直接把一个不锈钢桶中富含U-235的硝酸盐溶液倒入沉淀槽中!原本倒入的铀溶液含铀总量为2.4KG,而这名工人却将16KG铀硝酸盐溶液都倒入了沉淀槽中,于是立即引发了链式核裂变反应!

最终导致了2名员工死亡,数百人遭受辐射,影响十分巨大!当然绝对算是一起比较低级超临界事故!

我们回到核材料的选择与核反应堆上来,哦我们经常听到新闻中有说到轻水反应堆和重水反应堆,这是以减速剂种类区分的核裂变堆,轻水反应堆无法生产钚材料,因此轻水反应堆的部署门槛是比较低的!但重水反应堆则可以生产钚元素,因此是国际原子能机构重点控制的反应堆种类!

因为钚原子弹的比较容易制造,当然钚也是一种核燃料以及二氧化钚则是重要的核电池原料,但其的制造与运输都受到重点关注!

原因其实很简单,就是因为所谓的“裂变截面”——全名叫做“中子诱发裂变截面”。要想大规模释放裂变能,必须要在短时间内诱发大量的原子核裂变。采用“链式裂变核反应”,利用核裂变后产生的中子,是目前最有效的方法。

但是,中子入射到原子核上,不是百分之百都会诱发裂变的,只有很小的几率才能诱发裂变,大部分中子都会“泄漏”出“核燃料区”除非采用“无限厚度”的核燃料区,那是不可能的。

而且,中子在“核燃料区”与各种原子核会发生“碰撞”,使得中子“减速”成为“慢中子”(低能中子)。而“裂变截面”是和中子能量(中子动能)有关的。有一些原子核,例如铀238,当中子能量小于1MeV时,是不能诱发裂变的。而有些原子核,例如铀235,在中子能量非常小(0.025eV)时,还能诱发裂变,而且裂变截面比能量高的中子(快中子)还大。

所以,需要选取那些“低能中子”诱发裂变截面大的核素来作为核燃料,才能使得核弹的体积(重量)降低到可以实用的程度,例如小于一吨。否则,要产生足够的原子核裂变,就要使用几十吨重的核反应堆。

而铀233(裂变截面最高为530靶恩——一种截面单位)、铀235(裂变截面为560靶恩)和钚239(截面为740靶恩),就是现在发现的“易裂变核素”——可以作为核燃料的核素。铀233和钚239都是“人工制造的同位素”。

有一些人工制造同位素的裂变截面很大,例如镎238,裂变截面高达1800靶恩。但其半衰期很短,只有2.5天,很快就会衰变殆尽。所以也不能作为核燃料。而以上的“易裂变核素”,半衰期最短的钚239,也高达2.4万年。

而铀238和钍232,在高能中子的诱发下,也可以裂变,被称为“可裂变核素”。但裂变截面就比“易裂变核素”的裂变截面小很多。

超铀元素镅,锔,锎的某些同位素也可以做裂变核燃料。氘,氚,氘化锂和氦3可以做为热核燃料,也称聚变核燃料。

可能是我们经常听到电视上面说铀和钚做核反应燃料,所以很多人想当然的就认为核燃料只有这两种。其实这种想法是错误的,任何元素在适宜的条件下都可以发生核反应。而我们地球上种类丰富的各种元素,也都是由最简单的氢原子一步一步核聚变而来的。比如金,它就是在超新星爆炸的时候才满足核聚变条件而生成的。

近期我国硬科幻电影<流浪地球>制造的行星发动机就属于一种核反应装置,该装置可以发生重核反应。即便利用石头作为燃料都可以进行核聚变,是一款真正的万能聚变器。除了核聚变还有核裂变,一般铁元素以上的元素都可以发生裂变,而且裂变结果可以释放能量。只不过有些元素太稳定了,没有外部施加苛刻裂变条件,这些元素到太阳熄灭都不一定会裂变掉,例如金银铜等半衰期太了。还有一些原子序数大的元素,不进行额外处理自己就会发生裂变,半衰期断。因此,这些元素才是我们人类目前可掌控的核燃料,也是我们可以利用的核燃料。

目前我们常用的铀和钚半衰期、储量、开发难度等方面都表现优异,所以成为了我们的常用核燃料。现在有些国家已经不满足这两个核燃料了,致力于发展其它元素成为核燃料的技术。比如钍元素,很多国家都在尝试。

能量公式从广义上讲,任何物质都能产生巨大的能量,这个巨大的能量从何而来?不排除物质的性质和物质的质量。星球产生了引力,是星球的质量足够大而释放的能量。这是物质的数量决定了一切。而铀和环是能量的浓缩体,又叫浓缩铀,在核反应堆上释放能量,数量不敌质量的优势,这就是物质的性质决定了它包含的意义。

因目前只有这水平和技术,或许今后的技术可以裂变和聚变随心所欲。

题目不够严谨,应该改为核裂变燃料,21H、31H、32He、42He等也可以作为核聚变燃料。

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