[科普中国]-易裂变核

易裂变核是用任意能量的中子轰击都能引起其裂变反应的原子核，具有很大的热中子裂变截面，用能量较低的热中子轰击即可引发核裂变，并且产生新的中子继续引起核裂变，形成链式反应，可用作反应堆的核燃料或制造核武器。

种类易裂变核主要包括以下几种，他们都具有很大的热中子裂变截面：1

铀-235（235U），存在于天然铀中（占0.711%），是自然界中存在和可供人类开采的一种易裂变核，现今世界上运行的绝大部分核反应堆所燃烧的就是这种易裂变核制成的核燃料。1

铀-233（233U），自然界中不存在，可由钍-232通过中子俘获然后发生两次β衰变生成。

钚-239（239Pu），自然界中仅铀矿中含有痕量，可由铀-238通过中子俘获然后发生两次β衰变生成，核工业上主要通过反应堆中铀-235裂变产生的快中子轰击铀-238生产。是核武器重要的核装料。1

钚-241（241Pu），自然界中不存在，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。1

用途易裂变核可用作反应堆的核燃料或制造核武器，比如铀-235吸收一个热中子后发生裂变反应，裂变产生新的中子又可以引起其他铀-235裂变，从而引发裂变链式反应。如果一次裂变产生的中子引起新裂变超过一次，则链式反应会不断增强。如果一次裂变产生的中子引起新裂变少于一次，则链式反应会逐渐减弱，直至停止。2

不受控制的链式反应会进行的十分剧烈，形成核爆炸，即原子弹的工作原理；而可控的链式反应保持每次裂变产生的中子平均只引发一次裂变，可以持续释放能量，即核反应堆的原理。

与可裂变核的区别可裂变核是能通过某种途径发生裂变反应的原子核，包括自发裂变核和在外来粒子轰击下的诱发裂变核。由于中子和靶核相互作用时没有库仑势垒，能量很低的中子就可以进入原子核引发裂变，裂变过程中又有中子发射，因而可能形成具有重要能源意义的链式反应。所以在诱发裂变中，中子诱发的裂变研究得最深入。除中子外，具有一定能量的带电粒子、γ射线等也能诱发核裂变。2

易裂变核特指那些能够俘获热中子发生裂变，而且具有维持链式反应能力的原子核。而某些核不能由热中子诱发裂变，当入射中子能量增大到一定数值，这些核才发生裂变，通常称为可裂变核。例如对于天然铀矿中存在的235U和238U，由于235U俘获热中子后的复合核236U*激发能（6.54 MeV）超过其裂变势垒高度（5.9 MeV），可以引起裂变并继续释放中子，从而引起裂变链式反应。而238U俘获热中子后的复合核239U*裂变势垒（6.2 MeV）较高，激发能（4.8 MeV）不足以引起裂变，也就无法引起链式反应。238U俘获快中子才有可能发生裂变，所以，235U是一种易裂变核，而238U仅仅是一种可裂变核。因此，所有的可裂变核都可发生裂变，但只有易裂变核能维持裂变链式反应。2

与可裂变核的转化在常规的热中子反应堆中使用的核燃料棒是低浓缩铀。由于235U裂变产生快中子（平均能量约2 MeV），很容易被238U俘获形成复合核239U*，但239U*裂变截面较小，裂变后放出的中子也难以引起其他238U继续裂变，而且大部分239U*经过两次β衰变形成239Pu而不放出中子。所以在反应堆里必须设法使中子在被238U俘获前降低速度，通常在燃料棒周围放置原子量小、又不吸收或很少吸收中子的物质，如石墨、重水或轻水作为慢化剂，快中子跟这些物质的原子核碰撞后，能量逐渐减小，速度降到与热运动的中子相近（能量约为0.025 MeV）时，称为热中子。238U对热中子的俘获截面很小，热中子容易被235U俘获继续引发裂变，形成链式反应。3

对于快中子增殖堆，与热中子堆不同的是快中子堆内充填的核燃料是235U与239Pu，且没有慢化剂，其反应过程中235U与239Pu裂变产生快中子，轰击反应区周围的238U，238U会以一定比例将其吸收，产生新的239Pu。新产生的239Pu比消耗掉的还多，从而实现核燃料增殖，核燃料的利用率大幅提高。类似的原理也可以使用233U裂变产生快中子，轰击232Th，产生233Th，β衰变形成新的233U。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学