易裂变材料
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
可裂变物质与可以裂变物质
可以发生裂变的物质与这里提到的可裂变物质不同。可以发生裂变的物质指的是任何原子核可以发生核裂变的物质，而可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-239是可裂变物质，而钚-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14.1兆电子伏特（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。
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，可裂变物质通常用来指主要用于核武器中的可裂变物质[1] 。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。
用于核燃料的可裂变核素
| 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：
- 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，有钚-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(σF)，而俘获后放出γ射线的反应截面为 (σγ)，不发生裂变的比例如右表所示。
哪种核素是可裂变物质？
| 依衰变链分类的锕系元素[2] | 半衰期范围 | 依裂变产额分类的裂变产物[3] | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 | |
| 232U ƒ | 238Pu | 243Cm ƒ | 29～100年 | 137Cs | 151Sm þ | 121mSn | ||
| 248Bk[4] | 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[5] | 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[6] | ||||||
| 232Th | 238U | 235U ƒ | 1～150億年 | |||||
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。[7]
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。
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[8][9]：
- 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[10]。
参考文献
- ^ Fissile Materials and Nuclear Weapons, 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。
- ^ Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152, 334
- ^ Safe Transport of Radioactive Materials, International Atomic Energy Agency, 1964
- ^ 10CFR71, 49CFR173.403
- ^ 49CFR & 10CFR71 changes[永久失效連結]
