核反應堆燃料越燒越多，為什麼不多造幾個？到底是誰的陰謀？

無論是哪種發動機燃料都是越燒越少的，不過確實有這樣一種核反應堆，它的燃料卻不是越燒越少，而是越燒越多！這實在有些超出想像，但事實上真的存在，不過卻因為各種原因而難以推廣，下面簡單來了解下

關於核燃料增殖的秘密

要了解核燃料增值的秘密，我們必須得先來了解下核燃料裂變的秘密。一般根據核燃料在自然界的豐度、提取成本以及裂變的難易程度，我們選擇了鈾(元素符號為U)的同位素U-235作為核反應堆的燃料，它的裂變過程如下：

U-235的鏈式反應

因為重元素的原子核中質子數和中子數總量很高，鈾是92號元素，它有92個質子，根據同位素的不一樣中子數會不盡相同，這樣巨大的原子核中強力和電磁斥力對抗下是不穩定的，因此可能會衰變或者裂變，當鈾原子被一顆熱中子撞擊時，它就開始了裂變過程：

U-235裂變過程

首先U-235原子獲得一顆中子後會成為U-236，但U-236基不穩定，會很快分裂成兩個較小的原子核，分別是Kr-92(36號元素氪-92)和Ba-141(56號元素鋇-141)，以及3個多餘中子，另外在這個過程成中還會損失部分質量，而強大的裂變能就來自於這些虧損的質量轉換而來。

U-235原子核裂變過程

• 鏈式反應的關鍵

能產生鏈式反應的關鍵就在這個多餘的3n中，這表示在裂變過程中會跑出多餘的3個中子，但快中子U-235不吸收，或者吸收率極差，在被下一個原子核捕獲前就跑出了反應堆，無法繼續裂變，所以鏈式裂變就掛了，裂變堆熄火！所以要將中子減速，因為U-235比較喜歡低速中子，所以核反應堆的輕水反應堆和重水反應堆就是減速劑的性質命名：

輕水反應堆減速劑：水 H2O

重水反應堆減速劑：重水 D2O

現代商用核反應堆大多就這兩種，其它也就安全結構不一樣而已。

• 增殖堆的秘密

鏈式反應取決於這個多餘3n中子數量，要讓核燃料增值的關鍵也在這裡，因為U-238在快中子轟擊下能轉變為鈽-239，而且每一次裂變都可以產生2-3顆中子能使U-238轉換成鈽-239，因此在這樣的反應堆內部，每燒掉一個鈾原子核會產生大於一個的鈽原子核，所以燃料是越來越多的，因此被稱為快中子增殖反應堆。

鈾-238原子核在吸收一個中子後變成鈾-239，此時將發生β衰變變成錼-239，再通過β衰變成為鈽-239，這就是完美的增殖過程！

不同的原子核裂變時釋放的中子數量是不一樣的，一個原子和誘發分裂釋放的中子數稱為η值，因此η值要大於2才有可能出現越燒越多的情況，不同的原子核的η值如下：

鈾-235：2.10

鈽-239：2.45

鈾-233：2.31

鈽-239的η值是最高的，所以大部分運行中或者運行過的快堆中以鈽-239作為核燃料的比比皆是（前蘇聯用比較高濃度的鈾-235），在其外圍則是能吸收中子後轉換為可燃燒核燃料的U-238(不容易裂變的鈾同位素)。真正的增殖堆誕生了，用鈽-239作為燃料，而鈽-239卻越燒越多，簡直就是一種完美的反應堆！

快中子增殖堆裝機容量非常可憐

但事實上全球正在運行的增殖堆不過幾家而已！這是為什麼？難道遭到了傳統能源行業的集體抵制不成？

為什麼這種快中子增殖反應堆不大批建造？

前文中我們了解了現代核反應堆中流行的減速劑有兩種，一種是輕水堆，減速劑是水，另一種是重水堆，減速劑是重水，但快中子增殖反應堆中本來就需要快中子，不需要將中子減速，所以水和重水就不能在堆芯周圍出現了！

但水和重水不止是減速劑，也是熱交換的重要介質，比如輕水堆中有壓水堆和沸水堆，前者通過高壓一迴路超臨界水將高溫傳遞給二次迴路中的介質，一般也是水！而沸水堆則是直接加熱水成蒸汽（這種蒸汽有放射性），再推動蒸汽輪機發電。而重水反應堆過程和壓水堆是一樣的！

• 快中子增殖堆用什麼來傳遞熱量？

傳遞熱量必須要有介質，所以說人類文明史是一部燒水的歷史並不為過，即使到未來的核聚變堆還是燒水，只不過花樣翻新了，但快中子增殖堆中沒法直接燒水了，必須得換一個，這個介質有如下要求：

• 首先這種介質不能減速中子

• 其次中子吸收面要小

• 最後這種介質必須要易於流動

但讓大家大跌眼鏡的是，科學家們選擇了金屬鈉作為傳遞熱量的介質，因為忽略掉納的固體和容易燃燒爆炸缺點的話，它就是完美的快堆熱量傳遞介質，因此在建造了早期快堆的大部分國家都選擇了鈉作為冷卻劑。快中子增殖堆的結構其實和壓水堆類似，一迴路中的水或者重水換成了金屬鈉，在高溫下它是一種流動的液體，被渦輪機交換到外部燒水，冷卻後再回到反應堆內部吸收熱量。

快中子增殖反應堆

金屬鈉的沸點是883℃，因此必須要將反應堆的溫度控制在此之下，不過鈉冷卻堆中沒有高壓，所以壓力風險並不大，但鈉是一種接觸空氣或者水就會燃燒爆炸的物質，高溫的金屬鈉一旦洩漏風險極大，因此冷快中子反應堆遇到最大的問題是鈉洩漏造成的火災，似乎是一個無解的難題！

鈉冷快中子增值反應堆

• 著名的鈉冷卻快堆事故

比較有名的鈉冷卻快堆事故是日本的文殊堆，1995年12月8日，文殊反應堆二級冷卻系統溫度計（熱電偶）套管出現破損，管道中噴薄而出640公斤鈉蒸汽，造成大火，反應堆被緊急關停，一個月調查負責人在東京酒店自殺。

日本文殊增殖反應堆

此後關於文殊堆安全設計問題和洩漏時候採取的措施存在重大的錯誤，因此是否重啟的拉鋸戰一直持續了將近15年，在2010年5月6日文殊堆重啟，但在同年8月26日，反應堆內的燃料更換機械臂故障，導致無法更換增殖後的燃料（日本將從中分離鈽-239），此案導致墜落事故負責人自殺！

日本正式報廢文殊堆

2016年12月21日，日本政府決定將1970年開工建設，1995年運行，總共耗資1萬億日元，但只正常運行了250天的文殊堆退役！

• 其它冷卻劑如何？

金屬鉛也能滿足作為冷卻劑的需求，鉛的中子吸收截面比鈉還小，功率密度高，可以建成更大型的核電站，但它的問題和優點一樣明顯，因為鉛的熔點為327℃，所以在管道中難以融化，一旦啟動就必須保持一直流動。鉛蒸汽有劇毒，建造成本過高！

蘇聯鉛冷快堆結構圖

氣冷快中子增殖堆，其實氣冷核反應堆核反應堆歷史上最早的堆型（石墨為減速劑，車諾比是壓力管石墨沸水堆），但其功率密度低，燃料消耗低而被沸水堆和壓水堆代替，但在快中子增值堆中與鈉和鉛相比，氣冷的缺點就不那麼明顯了。

氣冷快中子增殖反應堆

氣冷快中子增殖堆還處在研究中，它屬於第四代核反應堆，使用氦氣或者二氧化碳作為冷卻氣體，希望它的出現能解決問題，展現優勢，將現代難以處理的乏燃料利用起來，那麼即使核聚變暫未實現，人類也能多堅持數千年。

除了快中子增殖堆外，還有其他越燒越多的反應堆嗎？

一般裂變堆中除了快中子增殖堆外，重水堆也可以用來製造核燃料，但效率和利用利率不如快堆來得高，現代核燃料最佳循環是通過重水堆獲得原始鈽-239積累，再用快堆燃燒鈽-239獲得70%的核燃料利用率，這將為人類的核燃料增加成百上千倍。但很可惜出於各種限制，暫時無法完美實現。

反應堆核心

和裂變類似，利用中子增殖的方式也會出現在核聚變堆中，這種方式來自於人類正在極力突破的氘氚聚變堆，因為這是最容易達到聚變條件的兩種材料，氘在海水中的含量為0.02%，但氚基本不存在，不過可以通過中子轟擊鋰-6產生，因此這也提供了一種途徑，即通過氘氚聚變時多餘且難以處理的中子來轟擊鋰-6來實現氚的生產自持！

氘氚聚變反應

因為氘氚聚變不需要中子參與，所以中子就是一個惱人的無法處理的東西，剛好讓其為生產聚變燃料氚做點小貢獻，理論上一個氚核和氘核聚變能產生一個中子，但由於中子不好控制，所以這個效率仍然是值得商榷的，不過能撈回一點是一點吧，終比轟擊在第一壁上嬗變人家要好得多。

對於現代人類掌握的這點技術來說，核聚變暫時還比較遙遠，而快堆技術則受到各種安全技術限制，但總的來說快堆還是距離我們比較近一些，畢竟各國都有失敗的經驗，也有比較成熟的經驗，比如我國的快堆「中國實驗快堆」也已經在2012年投產，當前也在正常運作中，未來隨著第四代的氣冷快堆技術成熟，全球的能源技術將會出現一次核能革命，在核聚變實現之前，無疑這是一個最好的消息。