核燃料与链式反应：如何维持持续反应？

几种重金属元素，如铀、钍、钚都既可以发生自发裂变形式的放射性衰变，也可发生诱发裂变形式的核反应[1]。被自由中子击中可以发生诱发裂变的同位素被称为可裂变同位素；被缓慢移动的热中子束击中并发生裂变的同位素都被称为易裂变同位素。几种特别容易裂变并很容易获得的同位素（特别是²³⁵U和²³⁹Pu）称为核燃料，因为它们能维持链式反应并可大量得到以供使用。

所有可裂变同位素和易裂变同位素都会发生少量的自发性裂变，释放出的自由中子会进入任何核燃料样本。这些中子会从燃料中迅速逃逸出来成为一个平均寿命约为15min的自由中子，随后会衰变为质子和β粒子。然而，中子几乎无一例外地会在衰变前与附近的原子核碰撞并被吸收（新生成的裂变中子运动速度是光速的7%左右，而稳定的中子也以8倍音速的速度运动）。有些中子撞击了核燃料会进一步诱发裂变并释放更多中子。如果足够多的核燃料集中在一处，或者逃逸的中子聚集起来，即新发射并聚集起来的中子数超过逃逸的中子数，那么就可以发生持续的链式核反应。

可以支持持续链式核反应的装置叫做临界装置，而对于核燃料实现自持链式反应来说，存在一个裂变物质的最小质量，即临界质量。“临界”这个词指核燃料中自由中子的数量平衡点：如果小于临界质量，那么中子的数量将由放射性衰变程度决定，但如果等于或大于临界质量，那么中子的数量则被链式反应机制控制。核燃料临界质量很大程度上还取决于它的几何形状和周围物质。(www.xing528.com)

并非所有的可裂变同位素都能维持链式反应。例如，²³⁸U是形态最丰富的铀。它可裂变但并非易裂变：当它被动能超过1MeV^[2]的高能中子撞击后便会被诱发裂变。然而，²³⁸U裂变产物中很少有足以引起进一步²³⁸U裂变的高能中子，所以，这个同位素不可能产生链式反应。相反，对²³⁸U进行慢中子轰击会使它吸收中子（成为²³⁹U）并发生衰变成为²³⁹Np，随后它又会以相同的步骤继续衰变为²³⁹Pu；这一过程被用来在增殖反应堆中制造²³⁹Pu。在其他类型的反应堆中，在产生足够的²³⁹Pu之后，就地产生的钚（Pu）也会促进中子链式反应，因为²³⁹Pu也是一种可用作燃料的易裂变元素。据估计，在燃料荷载量的整个寿命周期中，标准“非增殖”反应堆生产的电力中，就地生产的²³⁹Pu裂变生产的最高可达到50%。

可裂变但非易裂变的同位素甚至可以在不维持链式反应的情况下作为核裂变原料使用。只要存在外部中子源，快中子轰击²³⁸U即可诱发裂变，并释放能量。对于易裂变同位素释放的快中子能引起周围²³⁸U核裂变的所有反应堆，特别是由高能中子推动的快速增殖堆而言，这是一个重要的反应，这意味着在全部核燃料中，小部分²³⁸U可以被“点燃”。现代热核武器正是利用了相同的快速裂变反应，通过在武器装置的核聚变反应中心外夹套²³⁸U层与核聚变反应释放的快中子反应从而使能量放大。