快中子增殖反应堆

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前蘇聯BN350實驗反應器
快滋生反應器原理圖

快中子增殖反應堆(Fast breeder reactor),或稱快中子滋生反應堆快滋生反應堆快堆等,是一種核子反應器,利用快中子被可孕材料吸收而變成可裂材料,而產生自行製造核燃料的效果,製造燃料多於消耗燃料的,就稱為快滋生反應器。另外也有利用熱中子進行滋生反應的「熱滋生反應器」。

原理[编辑]

核燃料中包含两种成份,一种是如铀-235钸-239等容易产生分裂的同位素,称为“可裂材料”,另一种是如铀-238等的,捕捉到一个中子后可以转变为相对应的可裂材料,因此称为“可孕材料”,如铀-238可转变为钸-239,-232可转变为铀-233。

核燃料进行裂变反应时,每次的裂变会产生2到3个中子,如果反应器没有使用缓和剂减速剂),则大部份的核裂变都将由快中子所诱发,这类的反应器就称为快中子反应器。快中子有的会逃出核心、被其它材料吸收或被燃料本身吸收,若能有至少一个中子能再诱发分裂,核反应就能持续下去。而在反应器中,可裂材料一方面因耗分裂而消耗,另一方面却因可孕材料捕获中子变为可裂材料而增加,若增加的速度快过消耗的速度,这种反应器就称为滋生反应器。

可孕材料可由高速中子诱发分裂,但低速中子和热中子则不行,另外可孕材料分裂后产生的高速中子,容易与原子核发生非弹性碰撞而使能量降低到不足以诱发其它分裂,因此燃料里仍然需要足够的可裂材料,故快滋生反应器的可裂材料浓度较一般商用反应器要高。反应器要达到滋生的目的,一方面必须有效利用中子,由于快中子反应器的中子泄逸比例较大,因此多在反应器外围包上一层由可孕材料组成的围包(blanker),以捕获由核心泄逸出来的中子。

另一方面,需尽量增加每个中子诱发分裂而释放出来的中子数(称为η值),理论上至少要达到2,若中子没有消耗,则其中一个用于诱发下一个核分裂,另一个则被可孕材料吸收,这样可裂材料增加的速度才能刚好等于消耗速度,由此可知滋生反应器的η值必须大于2。以铀-235、钚-239和-233等做为可裂材料的η值,在快中子反应器中分别为2.10、2.45和2.31,且铀-238也是含量最多的铀同位素,故以-239为可裂材料,以铀-238为可孕材料的,用做快滋生反应器的潜力最大。

現狀[编辑]

左側黃色槽為增殖材放置處

由於是將原本不足以進行連鎖反應的材料變成可以使用的材料,利用快滋生反應器,可使鈾燃料的利用率較原先增加50倍,對於核燃料有限的問題有很大的幫助。但是在核反應器中製造更多的燃料是有風險的,製造出來的鈽可能會促進核子增生反應,同時提煉鈽必須進行的燃料再製,會產生放射性廢料,可能造成大量放射線外洩,加上能用於製造核燃料,可能被用於製造核武器所需,在限制核武問題上亦有疑慮。

因此前美國總統卡特於1977年禁止在美國進行這類再製,目前美國英國法國德國都已停用這類反應器,只有印度俄羅斯日本中國等國家仍有使用計畫。而日本設於福井县敦賀市的快速滋生反應爐「文殊」於1995年發生液態鈉洩漏事故後暫停運作。

另見[编辑]

參考資料及外部連結[编辑]