基本介紹
- 中文名：氫核燃料
- 外文名：Hydrogen nuclear fuel
- 領域：核物理
- 別稱：聚變核燃料
核燃料,聚變核燃料,第一代,第二代,第三代,參見,
核燃料
核燃料具有在所有實際燃料來源中最高的能量密度。
與核武器中不可控的核反應不同，核反應堆能控制核反應的反應速率。對於裂變核燃料，當今一些國家已經形成了相當成熟的核燃料循環，包含對核礦石的開採、提煉、濃縮、利用和最終處置。大多數裂變核燃料包含重裂變元素，最常見的是鈾-235（235U）和鈽-239（239Pu）。這些元素能發生核裂變從而釋放能量。例如，鈾-235能夠通過吸收一個慢中子（亦稱熱中子）分裂成較小的核，同時釋放出數量大於一個的快中子和大量能量。當反應堆中的中子減速劑令快中子轉變為慢中子，慢中子再轟擊堆中其他鈾-235時，類似的核反應將能持續發生，即自我維持的核裂變鏈式反應。這使得自持鏈式反應成為可能，其釋放的能量用在核反應堆中以可以控制的速率釋放或在核武器中以非常迅速失控制速率釋放。目前商業核反應堆的運行都需要依靠這種可以控制的持續的鏈式反應維持，但不僅限於鈾元素這一種核燃料。
並不是所有的核燃料都是通過核裂變產生能量的。鈽-238和一些其他的元素也能在放射性同位素熱電機及其他類型的核電池中以放射性衰變的形式用於少量地發電。此外，諸如氚（3H）等輕核素可以用作聚變核燃料。由於目前尚未有投入運行的商業核聚變反應堆，故核燃料一般指的是都裂變核燃料。
目前在各種燃料中，核燃料是具有最高能量密度的燃料。例如，1千克鈾-235完全裂變產生的能量約相當於2500噸煤燃燒所釋放的能量。裂變核燃料有多種形式，其中金屬核燃料、陶瓷核燃料和彌散型核燃料屬於固體燃料，而熔鹽核燃料則屬於液體燃料，他們分別有著各自的特性，適用於不同類型的反應堆。
聚變核燃料
聚變核燃料包括氘（2H）、氚（3H）及氦-3（3He）等。儘管還有眾多核素之間也能發生核聚變，但因為原子核所帶電荷越多則需要更高的溫度引發核聚變，所以僅有質量最輕的幾種核素才被視為聚變核燃料。雖然核聚變的能量密度甚至比核裂變的還高，且人們已經製造出可以維持數分鐘的核聚變反應堆，但將聚變核燃料用作為能源仍只在理論上可行。
第一代
氘與氚都可被視作與第一代聚變核燃料。因為氘與氚所帶電荷較少，所以在所有核素中它們是最易發生核聚變的。下面列舉的是最常被引用的發生在第一代聚變核燃料之間的三種核反應：
2H +3H
n(14.07 MeV) +He (3.52 MeV)；
2H +2H n (2.45 MeV) +He (0.82 MeV)；
2H +2H p(3.02 MeV) +H (1.01 MeV).
第二代
2H +3He p (14.68 MeV) +4He (3.67 MeV).
第三代
第三代聚變核燃料之間發生的反應中只產生帶電粒子，且副反應可忽略。因為中子產量很低，所以使用第三代聚變核燃料的核反應堆的內壁放射性不會用明顯增強。使用第三代聚變核燃料作為聚變反應堆的核燃料是可控核聚變的最終目標。在所有的第三代聚變核燃料中，氦-3具有最高的麥克斯韋反應性（Maxwellian reactivity），但是地球上氦-3的儲藏量極低。
3He +3He2p +He 4(12.86 MeV)；
另一個可作為候選的無中子反應是氕-硼反應：
p +11B → 34He.
在合理的假設中，此反應的副反應會導致約0.1%的聚變能被中子帶走。在123keV時，此反應的最佳溫度約為純氫反應的10倍，對能量約束的要求要比氘-氚反應嚴格500倍，但能量密度僅為氘-氚反應的0.4‰。
參見
- 核災難和輻射事故列表
- 核燃料儲庫
- 鈾市場
- 綜合核燃料循環信息系統
