易裂變核

易裂變核是用任意能量的中子轟擊都能引起其裂變反應的原子核，具有很大的熱中子裂變截面，用能量較低的熱中子轟擊即可引發核裂變，並且產生新的中子繼續引起核裂變，形成鏈式反應，可用作反應堆的核燃料或製造核武器。

基本介紹

• 中文名：易裂變核
• 外文名：fissile nucleus
• 種類：233U，235U，239Pu，241Pu
• 用途：反應堆的核燃料或製造核武器
• 學科：核工程與核技術

種類

易裂變核主要包括以下幾種，他們都具有很大的熱中子裂變截面：

鈾-235（²³⁵U），存在於天然鈾中（占0.711%），是自然界中存在和可供人類開採的一種易裂變核，現今世界上運行的絕大部分核反應堆所燃燒的就是這種易裂變核製成的核燃料。

鈾-233（²³³U），自然界中不存在，可由釷-232通過中子俘獲然後發生兩次β衰變生成。

鈽-239（²³⁹Pu），自然界中僅鈾礦中含有痕量，可由鈾-238通過中子俘獲然後發生兩次β衰變生成，核工業上主要通過反應堆中鈾-235裂變產生的快中子轟擊鈾-238生產。是核武器重要的核裝料。

鈽-241（²⁴¹Pu），自然界中不存在，由鈽-240通過中子俘獲生成，鈽-240可以由鈽-239通過中子俘獲生成。

用途

易裂變核可用作反應堆的核燃料或製造核武器，比如鈾-235吸收一個熱中子後發生裂變反應，裂變產生新的中子又可以引起其他鈾-235裂變，從而引發裂變鏈式反應。如果一次裂變產生的中子引起新裂變超過一次，則鏈式反應會不斷增強。如果一次裂變產生的中子引起新裂變少於一次，則鏈式反應會逐漸減弱，直至停止。

不受控制的鏈式反應會進行的十分劇烈，形成核爆炸，即核子彈的工作原理；而可控的鏈式反應保持每次裂變產生的中子平均只引發一次裂變，可以持續釋放能量，即核反應堆的原理。

與可裂變核的區別

可裂變核是能通過某種途徑發生裂變反應的原子核，包括自發裂變核和在外來粒子轟擊下的誘發裂變核。由於中子和靶核相互作用時沒有庫侖勢壘，能量很低的中子就可以進入原子核引發裂變，裂變過程中又有中子發射，因而可能形成具有重要能源意義的鏈式反應。所以在誘發裂變中，中子誘發的裂變研究得最深入。除中子外，具有一定能量的帶電粒子、γ射線等也能誘發核裂變。

易裂變核特指那些能夠俘獲熱中子發生裂變，而且具有維持鏈式反應能力的原子核。而某些核不能由熱中子誘發裂變，當入射中子能量增大到一定數值，這些核才發生裂變，通常稱為可裂變核。例如對於天然鈾礦中存在的²³⁵U和²³⁸U，由於²³⁵U俘獲熱中子後的複合核²³⁶U*激發能（6.54 MeV）超過其裂變勢壘高度（5.9 MeV），可以引起裂變並繼續釋放中子，從而引起裂變鏈式反應。而²³⁸U俘獲熱中子後的複合核²³⁹U*裂變勢壘（6.2 MeV）較高，激發能（4.8 MeV）不足以引起裂變，也就無法引起鏈式反應。²³⁸U俘獲快中子才有可能發生裂變，所以，²³⁵U是一種易裂變核，而²³⁸U僅僅是一種可裂變核。因此，所有的可裂變核都可發生裂變，但只有易裂變核能維持裂變鏈式反應。

與可裂變核的轉化

在常規的熱中子反應堆中使用的核燃料棒是低濃縮鈾。由於²³⁵U裂變產生快中子（平均能量約2 MeV），很容易被²³⁸U俘獲形成複合核²³⁹U*，但²³⁹U*裂變截面較小，裂變後放出的中子也難以引起其他²³⁸U繼續裂變，而且大部分²³⁹U*經過兩次β衰變形成²³⁹Pu而不放出中子。所以在反應堆里必須設法使中子在被²³⁸U俘獲前降低速度，通常在燃料棒周圍放置原子量小、又不吸收或很少吸收中子的物質，如石墨、重水或輕水作為慢化劑，快中子跟這些物質的原子核碰撞後，能量逐漸減小，速度降到與熱運動的中子相近（能量約為0.025 MeV）時，稱為熱中子。²³⁸U對熱中子的俘獲截面很小，熱中子容易被²³⁵U俘獲繼續引發裂變，形成鏈式反應。

對於快中子增殖堆，與熱中子堆不同的是快中子堆內充填的核燃料是²³⁵U與²³⁹Pu，且沒有慢化劑，其反應過程中²³⁵U與²³⁹Pu裂變產生快中子，轟擊反應區周圍的²³⁸U，²³⁸U會以一定比例將其吸收，產生新的²³⁹Pu。新產生的²³⁹Pu比消耗掉的還多，從而實現核燃料增殖，核燃料的利用率大幅提高。類似的原理也可以使用²³³U裂變產生快中子，轟擊²³²Th，產生²³³Th，β衰變形成新的²³³U。