核燃料

核燃料是指可被核反應堆利用，透過核裂變或核聚變產生實用核能的材料。核燃料既能指燃料本身，也能代指由燃料材料、結構材料和中子減速劑及中子反射材料等組成的燃料棒。核燃料具有在所有實際燃料最高的能量密度。簡介.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迴圈，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執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透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型別的核電池中以放射性衰變的形式用於少量地發電。此外，諸如氚等輕核素可以用作聚變核燃料。由於目前尚未有投入執行的商業核聚變反應堆，故核燃料一般指的都是裂變核燃料。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，適用於不同型別的反應堆。固體燃料.金屬型核燃料.金屬型核燃料擁有最高的裂變原子密度，其熱導率高，製造簡單，但因為一般燃料本身熔點較低或晶體相變溫度低，反應時溫度不能太高。金屬核燃料的使用歷史較長，從1946年美國建成的世界上第一座實驗性快中子反應堆——克來門汀反應堆。鈾-235是人類最早使用的核裂變材料之一。金屬態的鈾在堆內使用的主要缺點為：熔點以下有三種同素異構體，升溫過程中尺寸不穩定；輻照穩定性差，會發生輻照腫脹；與包殼相容性差；化學穩定性也較差。此外，輻照還使金屬鈾的蠕變速度增加、鈾鈮合金、鈾鉬合金以及氫化鈾鋯等。鈽-239可以在反應堆內被製造，是人造易裂變元素，其臨界質量比鈾小，在有水的情況下，650克的鈽即可發生臨界事故。金屬態的鈽較脆弱，熔點低；從室溫到熔點有六種同素異構體，結構變化複雜；導熱係數低，僅為鈾的1/6左右；線膨脹係數大，各向異性十分明顯；化學穩定性很差，並極易氧化，易與氫氣和二氧化碳發生反應。這些缺點使金屬態的鈽不適合作為核燃料，一般都以氧化物的形式與氧化鈾混合使用，即混合氧化物燃料。這種鈽與鈾的組合可以實現快中子增殖，因而成為當今著重研究的核燃料之一。釷-232吸收中子後可以轉換為可作核燃料之用的鈾-233。釷在地殼中的儲量很豐富，所能提供的能量大約相當於如今鈾、煤和石油全部儲量的總和。釷的熔點較高，直至1400℃才發生晶體結構相變，且相變前後均為各向同性結構，所以輻照穩定性較好，這是它優於鈾、鈽之處。金屬態的釷在使用中的主要限制為輻照下蠕變強度很低，一般以氧化物或碳化物的形式使用。在熱中子反應堆中，利用鈾-釷迴圈可得到接近於100%的轉換比，從而實現“近似增殖”。但這種迴圈比較複雜，後處理也比較困難，因此尚未獲得廣泛應用。 另外，因為釷缺乏武器應用，釷的研究難以得到象鈾和鈽的研究那樣的重點關注。鈾氫鋯核燃料.鈾氫鋯核燃料是TRIGA反應堆普遍使用的核燃料，其反應速率是負溫度係數的，在堆芯溫度超過550℃時，鈾氫鋯會釋放氫原子，氫逸出堆芯，被貯存在反應堆內一個特製的貯存盤裡。燃料在失去氫原子時，自身溫度會很快降低，反應速率減緩。在溫度降低到一定程度後，燃料又會從貯存檔內吸收氫原子。整個反應過程由其自身控制，不會劇烈地發生反應。反應堆執行時堆芯溫度保持在一個區間內上下波動，因此能在—定程度上避免堆芯熔燬。TRIGA反應堆因其使用的鈾氫鋯燃料的這種特性，反應堆本身體積可以比常規核反應堆小很多，因為它們不需要非常嚴密的安全保護措施，是分散式發電以及教學用的理想堆種。目前世界上現有70個TRIGA反應堆，其中一半位於美國。錒系元素核燃料.在快中子增殖反應堆中，由核燃料中的鈾或鈽俘獲中子後形成的少量錒系元素能被再次用於產生核燃料。金屬錒系元素核燃料一般為鈾、鈽及次要錒系元素和鋯的合金。因為金屬的熱膨脹能增加中子漏出量，所以錒系元素核燃料較為安全。陶瓷型核燃料.陶瓷型核燃料主要包含氧化物核燃料、碳化物核燃料和氮化物核燃料等。相對於金屬核燃料，它們的工作溫度高；一般來說，與冷卻劑及包殼材料的相容性好。缺點是密度低、導熱性差、易脆化。目前，二氧化鈾陶瓷核燃料是陶瓷型核燃料中應用最廣、研究最深的一種，被廣泛用於壓水式反應堆和沸水式反應堆。二氧化鈾.二氧化鈾是一種黑色的固態半導體，其熔點高，晶格結構為面心立方，在熔點下無晶型轉變，各向同性，抗輻照穩定性好，且與水和包殼材料的相容性較好。雖然密度和導熱係數低，質地脆硬，易由於大溫度梯度造成的熱應力而開裂，但優良的特性使其被廣泛用於核燃料。二氧化鈾粉末的生產主要有三種途徑：ADU流程和IDR流程。接著，將二氧化鈾粉末與有機粘合劑混合，並被壓成高約1釐米，直徑約0.8釐米的坯塊，再於氬氣和氫氣的混合氣體中加熱至更高的溫度燒結，使得原本實心緻密的固體產生一些孔洞，以此製成核反應堆的燃料芯塊。需要注意的是，水溶液中二氧化鈾的腐蝕與金屬表面的電化學腐蝕是類似的電化學過程。氮化鈾.氮化鈾再加工以使氮-15得到彌補。如果將核燃料在加工後溶解於硝酸中，可將氮-15的同位素分離。碳化鈾.碳化鈾燃料通常用於液態金屬冷卻堆中，並被封裝在針狀燃料元件裡。對它們的研究及應用始於緊張的20世紀60至70年代。然而，最近關於板形碳化鈾燃料的研究也再次成為熱點，尤其是在微型核燃料顆粒的研究上。碳化鈾的高熔點，碳化鈾將成為某些第四代裂變反應堆燃料的理想候選者——例如高溫氣冷堆。混合氧化物燃料.混合氧化物燃料的理想替代品，同時也可作為中子增殖反應堆的燃料。混合氧化物燃料的鈽可以來自報廢的核武器，在儲存這些剩餘鈽的過程中需要承擔核擴散的風險。在混合氧化物燃料的生產過程中，對乏燃料的再處理也存在類似的風險，因此對混合氧化物燃料的使用仍存在憂慮。全球核能合作伙伴都已擁有軍事用途的核武器。目前，商業核燃料的再處理，並將其製成混合氧化物燃料的技術已經在英國和法國被廣泛應用，在 俄羅斯，印度和日本也有少量應用。中國則正在進行著使用混合氧化物燃料的快中子增殖反應堆和核反應燃料的再處理的相關研究。彌散型核燃料.彌散型核燃料是將二氧化鈾或碳化鈾等陶瓷核燃料顆粒均勻地和非裂變基體材料(金屬、非金屬或陶瓷)混合後，經粉末冶金法壓制後燒結而成的。彌散型核燃料的形式能夠改善陶瓷型燃料的導熱和延性的不足，且其優點還包括成本較低；物理和機械效能較好；燃耗也較高；並且可以使用多種型別的燃料。以金屬為基體的彌散型核燃料導熱效能優異，有良好的韌性且加工效能好，如不鏽鋼基體的核燃料可軋製成板狀高功率密度元件，已用於美國核動力航空母艦和核潛艇。彌散型核燃料中裂變物質的分佈方式要求使用濃度更高的核燃料製造燃料顆粒。液態核燃料.液態核燃料是溶解有核燃料的液體，因為使用液態核燃料的核反應堆一般都擁有負反饋調控機制所以較為穩定。但液態核燃料也有在事故後容易發生擴散等缺陷。熔鹽核燃料.熔鹽核燃料是由直接將核燃料溶解入熔鹽冷卻劑中製得的液態核燃料。使用熔鹽核燃的核反應堆的反應堆不同的。使用熔鹽核燃料是液態堆芯反應堆實驗的內容之一，其中，在熔鹽反應堆實驗。在實驗中，熔鹽核燃料的最高工作溫度為705℃，但因為熔鹽的沸點在1400℃，所以在實際使用時可以在更高溫度下執行。鈾鹽水溶液核燃料.水均勻反應堆的AHR現被用於生產醫學上使用的同位素。常見形態.二氧化鈾，使用鎂及少量的鋁組成的合金作為覆層。裝入核燃料塊的金屬管被封裝成為核燃料棒，核燃料棒將再被合併成束，用於組裝核反應堆的堆芯。壓水堆核燃料.壓水反應堆 (PWR) 燃料由圓柱狀燃料棒捆成的棒束組成。氧化鈾陶瓷以芯塊的形式裝入捆綁在一起的鋯管內。鋯管直徑約1 cm ，燃料包殼間隙內充滿氦氣用以改善燃料到包殼間的傳熱。每捆元件約有 179-264 根燃料棒，一個堆芯內約裝有121-193捆元件。燃料元件通常由14×14 到 17×17 的捆綁在一起的燃料棒組成。壓水反應堆燃料元件長約4米。在PWR燃料元件內，控制棒從頂部直接插入到燃料元件內。燃料元件通常富集有百分之幾的235U。為消除陶瓷燃料內會導致腐蝕和氫脆的水分，氧化鈾在裝入鋯管前將被幹燥。鋯管內充入氦氣將芯塊和包殼間的相互作用減到最小以防止長期執行燃料棒失效。沸水堆核燃料.在沸水反應堆的氦氣。加拿大重水鈾反應堆核燃料.加拿大重水鈾反應堆燃料棒束約半米長、直徑10 cm。它由燒結的，然而一些新概念堆要求採用低富集度以降低反應堆尺寸。不常見形態.除了上述常見的核燃料外，還有眾多其他型別的核燃料被用於特殊的用途，但這些不常見的核燃料與沸水堆、壓水堆或坎杜堆等核反應堆中使用的核燃料相比適用範圍較小。這些不常見的核燃料中有許多隻在實驗堆中得到使用，或用於軍事用途。鎂諾克斯燃料.鎂諾克斯反應堆是一種使用天然鈾作為燃料、鎂諾克斯合金作為燃料包殼的承壓、二氧化碳冷卻、石墨慢化的反應堆 。工作壓力因不鏽鋼壓力容器和兩個設計運行於24.8到27 bar 的鋼筋混凝土設計而從 6.9到19.35 bar各異。 鎂諾克斯也是一種合金的名字——主要成分為鎂和少量的鋁以及其他金屬——用其非氧化層包裹未富集鈾的金屬燃料以包容裂變產物。鎂諾克斯 的縮寫。這種材料具有中子俘獲截面小的優勢，但也有兩大缺點：鎂諾克斯燃料裝有冷卻肋片以改善在較低執行溫度下的傳熱，這使其製造變得昂貴。使用金屬鈾而非氧化鈾使傳熱更直接也更便宜，燃料卸出反應堆後一小段時間的再處理需求意味著巨大的裂變產物洩漏風險。需要昂貴的遠端操作設施來減小危險。TRISO燃料.TRISO燃料，在第四代技術目標屬於三代以上堆，因為其設計操作溫度和條件低於六類堆之一的極高溫度反應堆。TRISO燃料顆粒由英國在DRAGON計劃中率先研製。D. T. Livey首先提出用碳化矽作為擴散阻滯劑。 使用TRISO燃料的首座核反應堆是DRAGON反應堆，首座核電站是THTR-300。目前，一些實驗反應堆使用TRISO燃料塊，包括中國的HTR-10以及日本的HTTR。QUADRISO燃料.在QUADRISO燃料包覆在傳統TRISO燃料核心外，以更好的控制過度反應性。如果堆芯既含有TRISO燃料又含有QUADRISO燃料，因可燃性中子毒物層的緣故，在反應起始中子無法染指QUADRISO顆粒中的燃料。經輻照後，中子毒物消耗殆盡，中子流進入QUADRISO顆粒中燃料核心，引發核裂變反應。這個過程和普通TRISO燃料的消耗相互補償。在廣義QUADRISO燃料概念裡，中子毒物最終可以同燃料核心或者外層的熱解碳混合在一起。QUADRISO燃料的概念由美國阿岡國家實驗室提出。RBMK燃料.RBMK燃料用於前蘇聯設計建造的RBMK型反應堆。這種燃料屬低濃縮氧化鈾燃料。RBMK堆的燃料棒長達3米，兩根燃料棒首尾相接放在加壓的燃料管中。來自俄羅斯VVER反應堆乏燃料的再生鈾被用來製造RBMK燃料。切爾諾貝利事故之後，該燃料濃縮度由2.0%增加到2.4%，以補償控制棒的修改和更多吸收劑的引入。CerMet燃料.CerMet燃料由嵌在金屬介質中的陶瓷燃料顆粒構成。有人猜測美國海軍的反應堆使用這種燃料。這種燃料導熱效能好，可以耐受膨脹。板型燃料.板型燃料歷來都遭受冷落。它通常由夾在金屬包殼內的濃縮鈾構成。板型燃料用於幾個需要高中子注量率的研究堆中，用於金屬輻照研究或同位素生產之類，堆內沒有陶瓷柱形燃料的高溫。它現在正被用於位於愛達荷國家實驗室的先進測試反應堆中。乏燃料.使用過後的核燃料是裂變產物、鈾、鈽以及次要錒系元素的混合物。曾在核反應堆高溫中反應的核燃料的化學組成往往是不均勻的，燃料可能會含有鉑族元素的奈米顆粒。在使用過程中，核燃料可能還會接近其熔點或出現開裂和膨脹等現象。乏燃料可能發生破裂，但是是不溶於水的，所以水環境下的二氧化鈾仍能保留其晶格中絕大多數的帶有放射性的錒系元素和裂變產物。事故中的氧化物核燃料有兩種可能的擴散方式：裂變產物能被轉化為氣體或以微小顆粒的形式分散分散。聚變核燃料.聚變核燃料包括氘等。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，且人們已經制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。第一代聚變核燃料.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 formula_1 n (14.07 MeV) + 4He (3.52 MeV)2H + 2H formula_1 n (2.45 MeV) + 3He (0.82 MeV)2H + 2H formula_1 p (3.02 MeV) + 3H (1.01 MeV)第二代聚變核燃料.與第一代聚變核燃料相比，第二代聚變核燃料需要更高的約束溫度，但在反應中產生的中子量較少。因為中子不帶電，不受磁場約束，會被核聚變反應堆內壁吸收，使得內壁材料帶上放射性，所以被視為可控核聚變中是有害副產物。第二代聚變核燃料包括氘與氦-3，雖然產物都是帶電粒子，但是此代聚變核燃料也可發生不能忽略的、產生中子的副反應。2H + 3He formula_1 p (14.68 MeV) + 4He (3.67 MeV)第三代聚變核燃料.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，但是地球上氦-3的儲藏量極低。3He + 3He formula_1 2p + 4He (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‰。