[科普中国]-核燃料转换

基本概念

随着电力需要量的迅速增长和由此而引起的能源不足，目前，核能已经发展成为一种重要的新能源。可以作为反应堆核燃料的裂变同位素有铀-235，钚-239和铀-233三种。其中只有铀-235是在自然界中天然存在的。然而遗憾的是，在天然铀中只含大约0.72%左右的铀-235，而占99.2%以上的是铀-238。因而，单纯以铀-235作为燃料的核动力，很快就会使天然铀的资源枯竭，它并不能显著地扩大现有的能源。同时，再考虑到铀矿开采经济价值的限制，它很快就可能无法满足核动力发展的需要。幸而，我们可以把天然铀中99%以上的铀-238以及钍-232通过反应转换成人工裂变同位素钚-239和铀-233。假如我们能够通过转换把铀-238和钍-232充分地利用起来，那么，核能的能源将扩大几十倍至近百倍，从而可以在较长的时间内满足人类对他能源的需要。

转换过程在反应堆中，主要的核燃料转换过程有两类：一是把铀-238转换成钚-239；二是在反应堆中装入可转换同位素钍-232，经过中子辐照后转换为铀-233。1

铀-钚循环把铀-238转换成钚-239，其反应过程如下：

通常我们把可用以生产裂变同位素的核素，如上式中的铀-238，称为可转换同位素，而把这种通过可转换物质产生裂变同位素的过程叫做转换。为完成上述的反应，必须将铀-238放入反应堆中经受中子的辐照。在现代动力反应堆中，一般是采用低浓铀为核燃料，在燃料中存在着大量的铀-238，因而在反应堆的正常运行中必然会发生轴-238转换为钚-239的过程。例如在一个轻水反应堆中，新装的燃料一般是铀-238占97%左右的低浓缩铀，经过一年左右的中子辐照后，卸下的料中大约含0.8%左右的钚-239。如果把产生的钚-239从卸下的燃料中提取出来，加工成新燃料再装入堆芯或新的反应堆中加以利用，这样的燃料循环过程便称为铀-钚循环。

钍-铀循环另一类转换过程是在反应堆中装入可转换同位素钍-232，经过中子辐照后转换为铀-233，其转换过程是：

如果把新产生的铀-233提取出来再用于反应堆中作为燃料，这种循环便称为钍-铀循环。钍在自然界中的藏量相当丰富。目前，关于钍-铀循坏的利用问题，已在一些国家中引起了重视。

衡量依据通常用转换比CR来描述转换过程。它的定义是：反应堆中每消耗一个裂变材料原子所产生新的裂变材料的原子数。即：

CR=堆内可转化物质的吸收率/堆内所有裂变物质的吸收率=裂变物质的生成率/变物质的消耗率

这样，假设有N个裂变同位素原子核消耗掉，则会产生N（CR）个新的裂变核。如果新产生的裂变同位素与原来的裂变同位素相同，这些新的裂变核又将参与转换而生成N（CR）*（CR）=N（CR）^2个新的裂变核。如此继续下去，可以得出在CR1的情况。这时，反应堆内产生的裂变元素比消耗的多，除了维持反应堆本身的需要外，还可以增殖出一些裂变材料供给其他新反应堆使用，这种反应堆称为增殖堆。把这时的转换比（CR>1）称为增殖比，并以BR表示加以区别。通常把CR