易裂变材料：修订间差异

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2023年8月4日 (五) 20:20的版本

在核工程中，可裂变物质（英語：fissile material）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。可裂变物质可以用作以下设备的核燃料：

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
核爆炸装置

可裂变物质与可以裂变的物质

可以发生裂变的物质（fissionable material）与本條目提到的可裂变物质（fissile material）不同。fissionable一詞指的是任何原子核可以发生核裂变的核種（即使機率很低）^[1]，而可裂变物质（fissile materials）特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之核種。^[2]例如钚-239是可裂变物质，而钚-240只能在快中子的作用下发生裂变，因此仅仅是可以发生裂变的物质。故可裂变物质是可以发生裂变的物质中的一少部分，即所有的可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可裂变物质。

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和其它不是可裂变物质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物质条约的提案中，可裂变物质通常專指主要用于核武器中的可裂变物质^[3] 。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-237。

哪些核素是可裂变物质？

锕系元素和裂变产物的半衰期查论编
依衰变链分类的锕系元素^[4]				半衰期范围	依裂变产额（英语：Fission product yield）分类的裂变产物^[5]
4n	4n + 1	4n + 2	4n + 3	半衰期范围	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^[6]	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^[7]	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	²³³U ^ƒ	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^[8]
²³²Th		²³⁸U	²³⁵U ^ƒ	1～150億年	也没有半衰期超过 2000万年的裂变产物^[8]
ƒ 易裂变材料 þ 中子毒物（热中子截面超过3000靶恩）

根据可裂变物质规则（Ronen Fissile rule）^[9]，對於90 ≤ Z ≤ 100的重元素，其2 × Z − N = 43 ± 2的同位素大多為可裂变物质，僅有少數例外。^[10]^[11]^{[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可裂变物质。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，如果其處於貝他衰變穩定等壓線（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衰变或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

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。

可裂变核素的中子俘获/裂变比例
热中子				超热中子
σ_F	σ_γ	%		σ_F	σ_γ	%
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：

铀-235，存在于天然铀和浓缩铀中。
钚-239，由铀-238通过中子俘获生成。
钚-241，由钚-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-233，由钍-232通过中子俘获生成。

可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_F)，而俘获后放出γ射线的反应截面为 (σ_γ)，不发生裂变的比例如右表所示。

合法控制

国际原子能机构根据可裂变物质运输时的安全需求曾经将它们分成如下几类^[12]^[13]：

第一类：没有控制
第二类：物质运输量受限
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^[14]。

註釋

^ The fissile rule thus formulated indicates 33 isotopes as likely fissile: Th-225, 227, 229; Pa-228, 230, 232; U-231, 233, 235; Np-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; Am-240, 242, 244; Cm-243, 245, 247; Bk-246, 248, 250; Cf-249, 251, 253; Es-252, 254, 256; Fm-255, 257, 259. Only fourteen (including a long-lived metastable nuclear isomer) have half-lives of at least a year: Th-229, U-233, U-235, Np-236, Pu-239, Pu-241, Am-242m, Cm-243, Cm-245, Cm-247, Bk-248, Cf-249, Cf-251 and Es-252. Of these, only U-235 is naturally occurring. It is possible to breed U-233 and Pu-239 from more common naturally occurring isotopes (Th-232 and U-238 respectively) by single neutron capture. The others are typically produced in smaller quantities through further neutron absorption.

参考文献

^ NRC: Glossary -- Fissionable material. www.nrc.gov.
^ Slides-Part one: Kinetics. UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering. [3 January 2013].
^ Fissile Materials and Nuclear Weapons （页面存档备份，存于互联网档案馆）, International Panel on Fissile Materials
^ 虽然镭不是锕系元素，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。
^ 此表列出的是热中子轰击²³⁵U的裂变产额。
^ 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.
^ 是所有半衰期超过四年的同位素中最重的
^ 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。
^ Nuclear Science and Engineering -- ANS / Publications / Journals / Nuclear Science and Engineering.
^ Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152:3, pages 334-335. [1]
^ 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.
^ Safe Transport of Radioactive Materials, International Atomic Energy Agency, 1964
^ 10CFR71, 49CFR173.403
^ 49CFR & 10CFR71 changes. [2011-01-07]. （原始内容存档于2022-03-04）.

参见

[12] The fissile rule thus formulated indicates 33 isotopes as likely fissile: Th-225, 227, 229; Pa-228, 230, 232; U-231, 233, 235; Np-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; Am-240, 242, 244; Cm-243, 245, 247; Bk-246, 248, 250; Cf-249, 251, 253; Es-252, 254, 256; Fm-255, 257, 259. Only fourteen (including a long-lived metastable nuclear isomer) have half-lives of at least a year: Th-229, U-233, U-235, Np-236, Pu-239, Pu-241, Am-242m, Cm-243, Cm-245, Cm-247, Bk-248, Cf-249, Cf-251 and Es-252. Of these, only U-235 is naturally occurring. It is possible to breed U-233 and Pu-239 from more common naturally occurring isotopes (Th-232 and U-238 respectively) by single neutron capture. The others are typically produced in smaller quantities through further neutron absorption.

[fissionable-1] NRC: Glossary -- Fissionable material. www.nrc.gov.

[UNENE-2] Slides-Part one: Kinetics. UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering. [3 January 2013].

[3] Fissile Materials and Nuclear Weapons （页面存档备份，存于互联网档案馆）, International Panel on Fissile Materials

[4] 虽然镭不是锕系元素，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。

[5] 此表列出的是热中子轰击²³⁵U的裂变产额。

[6] 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.

[7] 是所有半衰期超过四年的同位素中最重的

[8] 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。

[9] Nuclear Science and Engineering -- ANS / Publications / Journals / Nuclear Science and Engineering.

[10] Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152:3, pages 334-335. [1]

[11] 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）.

[1]

[2]

[3]

[4]

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[8]

[9]

[10]

[11]

[註 1]

[12]

[13]

[14]

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 ==可裂变物质与可以裂变的物质==
-可以发生裂变的物质（fissionable material）与本條目提到的可裂变物质（fissile material）不同。fissionable一詞指的是任何[[原子核]]可以发生核裂变的[[核種]]（即使機率很低），而可裂变物质（fissile materials）特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之核種。例如[[钚|钚-239]]是可裂变物质，而[[钚|钚-240]]只能在快中子的作用下发生裂变，因此仅仅是可以发生裂变的物质。故可裂变物质是可以发生裂变的物质中的一少部分，即所有的可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可裂变物质。
+可以发生裂变的物质（fissionable material）与本條目提到的可裂变物质（fissile material）不同。fissionable一詞指的是任何[[原子核]]可以发生核裂变的[[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}}</ref>，而可裂变物质（fissile materials）特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之核種。<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}}</ref>例如[[钚|钚-239]]是可裂变物质，而[[钚|钚-240]]只能在快中子的作用下发生裂变，因此仅仅是可以发生裂变的物质。故可裂变物质是可以发生裂变的物质中的一少部分，即所有的可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可裂变物质。
 [[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和其它不是可裂变物质的[[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。
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 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，可裂变物质通常專指主要用于核武器中的可裂变物质<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]]。
-==用于核燃料的可裂变核素==
+==哪些核素是可裂变物质？==
+{{Actinidesvsfissionproducts}}
+根据可裂变物质规则（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}}</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]]大多為可裂变物质，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]</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">The fissile rule thus formulated indicates 33 isotopes as likely fissile: Th-225, 227, 229; Pa-228, 230, 232; U-231, 233, 235; Np-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; Am-240, 242, 244; Cm-243, 245, 247; Bk-246, 248, 250; Cf-249, 251, 253; Es-252, 254, 256; Fm-255, 257, 259. Only fourteen (including a long-lived [[metastable]] [[nuclear isomer]]) have half-lives of at least a year: Th-229, U-233, U-235, Np-236, Pu-239, Pu-241, Am-242m, Cm-243, Cm-245, Cm-247, Bk-248, Cf-249, Cf-251 and Es-252. Of these, only U-235 is [[naturally occurring radioactive material|naturally occurring]]. It is possible to [[breeder reactor|breed]] U-233 and Pu-239 from more common naturally occurring isotopes (Th-232 and U-238 respectively) by single [[neutron capture]]. The others are typically produced in smaller quantities through [[:File:Sasahara.svg|further neutron absorption]].</ref>
+一般来说，大多数具有奇数个中子的[[錒系元素]]同位素都是可裂变物质。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{{le|貝他衰變穩定等壓線|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]]或[[β衰变]]的半衰期也相對較長，例如長壽的{{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==
+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。
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 可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。
-==哪种核素是可裂变物质？==
-{{Actinidesvsfissionproducts}}
-一般来说，大多数具有奇数个中子的超铀元素同位素是可裂变物质。大多数核燃料的原子量都是奇数，原子序数是偶数，这也意味着中子数是奇数。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-原子量曲线附近的话，要比其他同位素更稳定，因此也更不容易发生裂变。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]]和[[β衰变]]的半衰期，比如铀-238和钍-232。另一方面，有奇数个中子和奇数个质子的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。
-==可裂变物质规则==
-根据[[可裂变物质规则]]，90≤质子数≤100，质子数×2－中子数=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==
-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。
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 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>。
+== 註釋 ==
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 ==参考文献==