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易裂变材料:修订间差异

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{{noteTA
在[[核工程]]中,'''可裂变物质'''指的是有能力维持[[核裂变]]的[[链式反应]]的一种物质。根据定义,可裂变物质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]]。这样可裂变物质可以用作以下设备的核燃料
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在[[核工程]]中,'''易裂变材料'''({{lang-en|fissile material}})<ref>{{Cite web|author=|date=|title=易裂变材料-术语在线—权威的术语知识服务平台|url=https://www.termonline.cn/word/274180/1#s1|access-date=28 August 2023|work=termonline.cn|quote=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。|archive-date=2023-08-28|archive-url=https://web.archive.org/web/20230828145624/https://www.termonline.cn/word/274180/1#s1|dead-url=no}}</ref>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]]:
*带有[[中子减速剂]]的[[热反应堆]]
*带有[[中子减速剂]]的[[热反应堆]]
*不带有中子减速剂的[[快速反应堆]]
*不带有中子减速剂的[[快速反应堆]]
*[[核爆炸]]装置
*[[核爆炸]]装置


==可裂变物质可以裂变物质==
== 可裂变材料裂变材料 ==


以发生裂变的物质这里提到的可裂变物质不同。可以发生裂变的物质的是任何原子核可发生核裂变的物质,而裂变物质特指那些能够俘获低能量中子发生裂变,从而具有维持链式反应的能力。例如[[钚|钚-239]]是裂变物质,而[[钚|钚-240]]只能在快中子的作用下发生裂变,仅仅是可以发生裂变的物质因此,可裂变物质是可以发生裂变的物质中的一少部分,所有的裂变物质都可以发生裂变,但并不是所有可以发生裂变的物质都是裂变物质
可裂变材料(fissionable material)裂变材料(fissile material)不同。可裂变指任何不论俘获高或低能量中子,[[原子核]]皆可发生核裂变的[[核種]](即使機率很低)<ref name="fissionable">{{cite web |title=NRC: Glossary -- Fissionable material |url=https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/fissionable-material.html |website=www.nrc.gov |access-date=2023-08-04 |archive-date=2022-12-01 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221201002549/https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/fissionable-material.html |dead-url=no }}</ref>,而裂变材料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的核種<ref name="UNENE">{{cite web|title=Slides-Part one: Kinetics|url=https://unene.ca/education/courses/un-0802-nuclear-reactor-analysis|publisher=UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering|access-date=3 January 2013|archive-date=2019-04-02|archive-url=https://web.archive.org/web/20190402014917/https://www.unene.ca/education/courses/un-0802-nuclear-reactor-analysis|dead-url=no}}</ref>例如[[钚|钚-239]]是裂变材料,而[[钚|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,所有的裂变材料都可以发生裂变,但并不是所有可裂变材料都是裂变材料


[[铀|铀-238]]是一种典型的可以发生裂变的物质,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[[电子伏特|兆电子伏特]](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和其它不是裂变物质的超铀元素生裂变。但是铀-238裂变产生的中子的能量仍然无法使铀-238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。
[[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和其它不是裂变材料[[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物质条约的提案中,裂变物质通常用来指主要用于核武器中的裂变物质<ref>[http://www.fissilematerials.org/ipfm/pages_us_en/fissile/fissile/fissile.php Fissile Materials and Nuclear Weapons], International Panel on Fissile Materials</ref> 。这些物质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物质是[[镎|镎-237]]。
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,裂变材料通常指主要用于核武器中的裂变材料<ref>[http://www.fissilematerials.org/ipfm/pages_us_en/fissile/fissile/fissile.php Fissile Materials and Nuclear Weapons] {{Wayback|url=http://www.fissilematerials.org/ipfm/pages_us_en/fissile/fissile/fissile.php |date=20120206004707 }}, International Panel on Fissile Materials</ref> 。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|镎-237]]。


==用于燃料的可裂变核素==
==哪些素是易裂变材料?==
{{Actinidesvsfissionproducts}}

根据易裂变材料规则(Ronen Fissile rule)<ref>{{Cite web|url=http://www.ans.org/pubs/journals/nse/a_2588|title=Nuclear Science and Engineering -- ANS / Publications / Journals / Nuclear Science and Engineering|access-date=2023-08-04|archive-date=2017-12-27|archive-url=https://web.archive.org/web/20171227023410/http://www.ans.org/pubs/journals/nse/a_2588|dead-url=no}}</ref>,對於[[釷|90]]&nbsp;≤&nbsp;[[原子序|''Z'']]&nbsp;≤&nbsp;[[鐨|100]]的重元素,其{{nowrap|1=2 × ''Z'' − [[中子數|''N'']] = 43 ± 2}}的[[同位素]]大多為易裂变材料,僅有少數例外。<ref>Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. ''Nucl. Sci. Eng.'', 152:3, pages 334-335. [http://www.ans.org/pubs/journals/nse/a_2588] {{Wayback|url=http://www.ans.org/pubs/journals/nse/a_2588 |date=20171227023410 }}</ref><ref>{{Cite journal | last1 = Ronen | first1 = Y. | title = Some remarks on the fissile isotopes | doi = 10.1016/j.anucene.2010.07.006 | journal = Annals of Nuclear Energy | volume = 37 | issue = 12 | pages = 1783–1784 | year = 2010 }}</ref><ref group="註">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、[[鈾-233|233]]、[[鈾-235|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[[:File:Sasahara.svg|進一步的中子俘獲]]才能生成微小的量。</ref>

一般来说,大多数具有奇数个中子的[[錒系元素]]同位素裂变材料。大多数核燃料可分裂核種之[[質數]]為奇数、質數為偶数,中子数奇数。而質子和中子數皆為偶數核種,如果其處於{{le|β衰變穩定同素|Beta-decay stable isobars|β稳定线}}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]][[β衰变]]的半衰期也相對較長長壽的{{le|原始核種|Primordial nuclide|原始放射性核種}}铀-238和钍-232。另一方面,質子和中子數皆為核種寿命都比较短,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。


==Fissile nuclides used as nuclear fuel==
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|+可裂变核素的中子俘获/裂变比例
|+可裂变核素的中子俘获/裂变比例
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* [[铀|铀-235]],存在于天然铀和浓缩铀中。
* [[铀|铀-235]],存在于天然铀和浓缩铀中。
* [[钚|钚-239]],由铀-238通过[[中子俘获]]生成。
* [[钚|钚-239]],由铀-238通过[[中子俘获]]生成。
* [[钚|钚-241]],[[钚|钚-240]]通过中子俘获生成。钚-240可以由钚-239通过中子俘获生成。
* [[钚|钚-241]],[[钚|钚-240]]通过中子俘获生成。钚-240可以由钚-239通过中子俘获生成。
* [[铀|铀-233]],由[[钍|钍-232]]通过中子俘获生成。
* [[铀|铀-233]],由[[钍|钍-232]]通过中子俘获生成。


裂变物质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(σ<sub>F</sub>),而俘获后放出[[γ射线]]的[[反应截面]]为 (σ<sub>γ</sub>),不发生裂变的比例如右表所示。
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(σ<sub>F</sub>),而俘获后放出[[γ射线]]的[[反应截面]]为 (σ<sub>γ</sub>),不发生裂变的比例如右表所示。


==合法控制==
==哪种核素是可裂变物质?==
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[[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<ref>Safe Transport of
一般来说,大多数具有奇数个中子的超铀元素同位素是裂变物质。大多数核燃料的原子都是奇数,原序数是偶数,这也意味着中子数奇数。更一般的,具有偶数个质子和偶数个中子的元素,如果它们处于原子序数-原子线附近的话,比其他同位素更稳定,因此更不容易发生裂变。这些元素很可能忽视这些中子让他们继续前进,或者仅仅是吸收这些中子。他们也不容易自发裂变,因此他们拥有很长的[[α衰变]][[β衰变]]的半衰期,如铀-238和钍-232。另一方面,有奇数个中子数个质子同位素寿命都比较短,因为他们很容易发生[[β衰变]],产生具有偶数个中子、偶数个质子的同位素,这些同位素更加稳定。
Radioactive Materials, [[International Atomic Energy Agency]], 1964</ref><ref>10[[Code of Federal Regulations|CFR]]71, 49CFR173.403</ref>:


* 第一类:没有控制
==可裂变物质规则==
* 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<ref>{{Cite web |url=http://radlab.nl/radsafe/archives/9510/msg00203.html |title=49CFR & 10CFR71 changes |access-date=2011-01-07 |archive-date=2022-03-04 |archive-url=https://web.archive.org/web/20220304014621/http://radlab.nl/radsafe/archives/9510/msg00203.html }}</ref>。
根据[[可裂变物质规则]],原子序数在在90到100之间,2倍中子数与质子数之差是43 ± 2的重元素的同位素是可裂变物质。<ref> Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152, 334</ref>


==核燃料==
== 註釋 ==
{{reflist|group="註"}}

能够称为核裂变反应堆的核燃料的物质需要:

* 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。

==合法控制==


==参考文献==
==参考文献==
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==参见==
==参见==


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{{核技术}}


[[Category:可分裂物質| ]]

[[Category:原子核物理学]]
{{核技术}}
[[Category:核能科技]]
[[Category:核子武器設計]]

2024年1月26日 (五) 08:24的最新版本

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

[编辑]

可裂变材料(fissionable material)与易裂变材料(fissile material)不同。可裂变指任何不论俘获高或低能量中子,原子核皆可发生核裂变的核種(即使機率很低)[2],而易裂变材料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的核種。[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?

[编辑]
锕系元素和裂变产物的半衰期
衰变链分类的锕系元素[5] 半衰期范围 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
232ƒ 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 233ƒ 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 235ƒ 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 × ZN = 43 ± 2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β稳定线英语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

[编辑]

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射线反应截面为 (σγ),不发生裂变的比例如右表所示。

合法控制

[编辑]

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

[编辑]
  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;-228、230、232;鈾-231、233235-234、236、238;-237、239、241;-240、242、244;-243、245、247;-246、248、250;-249、251、253;-252、254、256;-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

[编辑]
  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]. (原始内容存档于2023-08-28). 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. [2023-08-04]. (原始内容存档于2022-12-01). 
  3. ^ Slides-Part one: Kinetics. UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering. [3 January 2013]. (原始内容存档于2019-04-02). 
  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. [2023-08-04]. (原始内容存档于2017-12-27). 
  11. ^ Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152:3, pages 334-335. [1]页面存档备份,存于互联网档案馆
  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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