[科普中国]-氢核燃料

氢核燃料，即聚变核燃料，聚变核燃料包括氘、氚及氦-3等。尽管还有众多核素之间也能发生核聚变，但因为原子核所带电荷越多则需要更高的温度引发核聚变，所以仅有质量最轻的几种核素才被视为聚变核燃料。虽然核聚变的能量密度甚至比核裂变的还高，且人们已经制造出可以维持数分钟的核聚变反应堆，但将聚变核燃料用作为能源仍只在理论上可行。

核燃料核燃料（英语：nuclear fuel）是指可被核反应堆利用，通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。核燃料既能指燃料本身，也能代指由燃料材料、结构材料和中子减速剂及中子反射材料等组成的燃料棒。

核燃料具有在所有实际燃料来源中最高的能量密度。

与核武器中不可控的核反应不同，核反应堆能控制核反应的反应速率。对于裂变核燃料，当今一些国家已经形成了相当成熟的核燃料循环，包含对核矿石的开采、提炼、浓缩、利用和最终处置。大多数裂变核燃料包含重裂变元素，最常见的是铀-235（235U）和钚-239（239Pu）。这些元素能发生核裂变从而释放能量。例如，铀-235能够通过吸收一个慢中子（亦称热中子）分裂成较小的核，同时释放出数量大于一个的快中子和大量能量。当反应堆中的中子减速剂令快中子转变为慢中子，慢中子再轰击堆中其他铀-235时，类似的核反应将能持续发生，即自我维持的核裂变链式反应。这使得自持链式反应成为可能，其释放的能量用在核反应堆中以可以控制的速率释放或在核武器中以非常迅速失控制速率释放。目前商业核反应堆的运行都需要依靠这种可以控制的持续的链式反应维持，但不仅限于铀元素这一种核燃料。

并不是所有的核燃料都是通过核裂变产生能量的。钚-238和一些其他的元素也能在放射性同位素热电机及其他类型的核电池中以放射性衰变的形式用于少量地发电。此外，诸如氚（3H）等轻核素可以用作聚变核燃料。由于目前尚未有投入运行的商业核聚变反应堆，故核燃料一般指的是都裂变核燃料。

目前在各种燃料中，核燃料是具有最高能量密度的燃料。例如，1千克铀-235完全裂变产生的能量约相当于2500吨煤燃烧所释放的能量。裂变核燃料有多种形式，其中金属核燃料、陶瓷核燃料和弥散型核燃料属于固体燃料，而熔盐核燃料则属于液体燃料，他们分别有着各自的特性，适用于不同类型的反应堆。1

聚变核燃料聚变核燃料包括氘（2H）、氚（3H）及氦-3（3He）等。尽管还有众多核素之间也能发生核聚变，但因为原子核所带电荷越多则需要更高的温度引发核聚变，所以仅有质量最轻的几种核素才被视为聚变核燃料。虽然核聚变的能量密度甚至比核裂变的还高，且人们已经制造出可以维持数分钟的核聚变反应堆，但将聚变核燃料用作为能源仍只在理论上可行。

第一代聚变核燃料氘与氚都可被视作与第一代聚变核燃料。因为氘与氚所带电荷较少，所以在所有核素中它们是最易发生核聚变的。下面列举的是最常被引用的发生在第一代聚变核燃料之间的三种核反应：

2H +3H n(14.07 MeV) +He (3.52 MeV)；

2H +2H n (2.45 MeV) +He (0.82 MeV)；

2H +2H p(3.02 MeV) +H (1.01 MeV).

第二代聚变核燃料与第一代聚变核燃料相比，第二代聚变核燃料需要更高的约束温度（confinement temperature）或更长的约束时间（confinement time），但在反应中产生的中子量较少。因为中子不带电，不受磁场约束，会被核聚变反应堆内壁吸收，使得内壁材料带上放射性，所以被视为可控核聚变中是有害副产物。第二代聚变核燃料包括氘与氦-3，虽然产物都是带电粒子，但是此代聚变核燃料也可发生不能忽略的、产生中子的副反应。

2H +3He p (14.68 MeV) +4He (3.67 MeV).

第三代聚变核燃料第三代聚变核燃料之间发生的反应中只产生带电粒子，且副反应可忽略。因为中子产量很低，所以使用第三代聚变核燃料的核反应堆的内壁放射性不会用明显增强。使用第三代聚变核燃料作为聚变反应堆的核燃料是可控核聚变的最终目标。在所有的第三代聚变核燃料中，氦-3具有最高的麦克斯韦反应性（Maxwellian reactivity），但是地球上氦-3的储藏量极低。

3He +3He2p +He 4(12.86 MeV)；

另一个可作为候选的无中子反应是氕-硼反应：

p +11B → 34He.

在合理的假设中，此反应的副反应会导致约0.1%的聚变能被中子带走。在123keV时，此反应的最佳温度约为纯氢反应的10倍，对能量约束的要求要比氘-氚反应严格500倍，但能量密度仅为氘-氚反应的0.4‰。2

参见全球核能合作伙伴

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本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所