核反应堆燃料越烧越多，为什么不多造几个？到底是谁的阴谋？

无论是哪种发动机燃料都是越烧越少的，不过确实有这样一种核反应堆，它的燃料却不是越烧越少，而是越烧越多！这实在有些超出想象，但事实上真的存在，不过却因为各种原因而难以推广，下面简单来了解下

关于核燃料增殖的秘密

要了解核燃料增值的秘密，我们必须得先来了解下核燃料裂变的秘密。一般根据核燃料在自然界的丰度、提取成本以及裂变的难易程度，我们选择了铀(元素符号为U)的同位素U-235作为核反应堆的燃料，它的裂变过程如下：

U-235的链式反应

因为重元素的原子核中质子数和中子数总量很高，铀是92号元素，它有92个质子，根据同位素的不一样中子数会不尽相同，这样巨大的原子核中强力和电磁斥力对抗下是不稳定的，因此可能会衰变或者裂变，当铀原子被一颗热中子撞击时，它就开始了裂变过程：

U-235裂变过程

首先U-235原子获得一颗中子后会成为U-236，但U-236基不稳定，会很快分裂成两个较小的原子核，分别是Kr-92(36号元素氪-92)和Ba-141(56号元素钡-141)，以及3个多余中子，另外在这个过程成中还会损失部分质量，而强大的裂变能就来自于这些亏损的质量转换而来。

U-235原子核裂变过程

• 链式反应的关键

能产生链式反应的关键就在这个多余的3n中，这表示在裂变过程中会跑出多余的3个中子，但快中子U-235不吸收，或者吸收率极差，在被下一个原子核捕获前就跑出了反应堆，无法继续裂变，所以链式裂变就挂了，裂变堆熄火！所以要将中子减速，因为U-235比较喜欢低速中子，所以核反应堆的轻水反应堆和重水反应堆就是减速剂的性质命名：

轻水反应堆减速剂：水 H2O

重水反应堆减速剂：重水 D2O

现代商用核反应堆大多就这两种，其它也就安全结构不一样而已。

• 增殖堆的秘密

链式反应取决于这个多余3n中子数量，要让核燃料增值的关键也在这里，因为U-238在快中子轰击下能转变为钚-239，而且每一次裂变都可以产生2-3颗中子能使U-238转换成钚-239，因此在这样的反应堆内部，每烧掉一个铀原子核会产生大于一个的钚原子核，所以燃料是越来越多的，因此被称为快中子增殖反应堆。

铀-238原子核在吸收一个中子后变成铀-239，此时将发生β衰变变成镎-239，再通过β衰变成为钚-239，这就是完美的增殖过程！

不同的原子核裂变时释放的中子数量是不一样的，一个原子和诱发分裂释放的中子数称为η值，因此η值要大于2才有可能出现越烧越多的情况，不同的原子核的η值如下：

铀-235：2.10

钚-239：2.45

铀-233：2.31

钚-239的η值是最高的，所以大部分运行中或者运行过的快堆中以钚-239作为核燃料的比比皆是（前苏联用比较高浓度的铀-235），在其外围则是能吸收中子后转换为可燃烧核燃料的U-238(不容易裂变的铀同位素)。真正的增殖堆诞生了，用钚-239作为燃料，而钚-239却越烧越多，简直就是一种完美的反应堆！

快中子增殖堆装机容量非常可怜

但事实上全球正在运行的增殖堆不过几家而已！这是为什么？难道遭到了传统能源行业的集体抵制不成？

为什么这种快中子增殖反应堆不大批建造？

前文中我们了解了现代核反应堆中流行的减速剂有两种，一种是轻水堆，减速剂是水，另一种是重水堆，减速剂是重水，但快中子增殖反应堆中本来就需要快中子，不需要将中子减速，所以水和重水就不能在堆芯周围出现了！

但水和重水不止是减速剂，也是热交换的重要介质，比如轻水堆中有压水堆和沸水堆，前者通过高压一回路超临界水将高温传递给二次回路中的介质，一般也是水！而沸水堆则是直接加热水成蒸汽（这种蒸汽有放射性），再推动蒸汽轮机发电。而重水反应堆过程和压水堆是一样的！

• 快中子增殖堆用什么来传递热量？

传递热量必须要有介质，所以说人类文明史是一部烧水的历史并不为过，即使到未来的核聚变堆还是烧水，只不过花样翻新了，但快中子增殖堆中没法直接烧水了，必须得换一个，这个介质有如下要求：

• 首先这种介质不能减速中子
• 其次中子吸收面要小
• 最后这种介质必须要易于流动

但让大家大跌眼镜的是，科学家们选择了金属钠作为传递热量的介质，因为忽略掉纳的固体和容易燃烧爆炸缺点的话，它就是完美的快堆热量传递介质，因此在建造了早期快堆的大部分国家都选择了钠作为冷却剂。快中子增殖堆的结构其实和压水堆类似，一回路中的水或者重水换成了金属钠，在高温下它是一种流动的液体，被涡轮机交换到外部烧水，冷却后再回到反应堆内部吸收热量。

快中子增殖反应堆

金属钠的沸点是883℃，因此必须要将反应堆的温度控制在此之下，不过钠冷却堆中没有高压，所以压力风险并不大，但钠是一种接触空气或者水就会燃烧爆炸的物质，高温的金属钠一旦泄漏风险极大，因此冷快中子反应堆遇到最大的问题是钠泄漏造成的火灾，似乎是一个无解的难题！

钠冷快中子增值反应堆

• 著名的钠冷却快堆事故

比较有名的钠冷却快堆事故是日本的文殊堆，1995年12月8日，文殊反应堆二级冷却系统温度计（热电偶）套管出现破损，管道中喷薄而出640公斤钠蒸汽，造成大火，反应堆被紧急关停，一个月调查负责人在东京酒店自杀。

日本文殊增殖反应堆

此后关于文殊堆安全设计问题和泄漏时候采取的措施存在重大的错误，因此是否重启的拉锯战一直持续了将近15年，在2010年5月6日文殊堆重启，但在同年8月26日，反应堆内的燃料更换机械臂故障，导致无法更换增殖后的燃料（日本将从中分离钚-239），此案导致坠落事故负责人自杀！

日本正式报废文殊堆

2016年12月21日，日本政府决定将1970年开工建设，1995年运行，总共耗资1万亿日元，但只正常运行了250天的文殊堆退役！

• 其它冷却剂如何？

金属铅也能满足作为冷却剂的需求，铅的中子吸收截面比钠还小，功率密度高，可以建成更大型的核电站，但它的问题和优点一样明显，因为铅的熔点为327℃，所以在管道中难以融化，一旦启动就必须保持一直流动。铅蒸汽有剧毒，建造成本过高！

苏联铅冷快堆结构图

气冷快中子增殖堆，其实气冷核反应堆核反应堆历史上最早的堆型（石墨为减速剂，切尔诺贝利是压力管石墨沸水堆），但其功率密度低，燃料消耗低而被沸水堆和压水堆代替，但在快中子增值堆中与钠和铅相比，气冷的缺点就不那么明显了。

气冷快中子增殖反应堆

气冷快中子增殖堆还处在研究中，它属于第四代核反应堆，使用氦气或者二氧化碳作为冷却气体，希望它的出现能解决问题，展现优势，将现代难以处理的乏燃料利用起来，那么即使核聚变暂未实现，人类也能多坚持数千年。

除了快中子增殖堆外，还有其他越烧越多的反应堆吗？

一般裂变堆中除了快中子增殖堆外，重水堆也可以用来制造核燃料，但效率和利用利率不如快堆来得高，现代核燃料最佳循环是通过重水堆获得原始钚-239积累，再用快堆燃烧钚-239获得70%的核燃料利用率，这将为人类的核燃料增加成百上千倍。但很可惜出于各种限制，暂时无法完美实现。

反应堆核心

和裂变类似，利用中子增殖的方式也会出现在核聚变堆中，这种方式来自于人类正在极力突破的氘氚聚变堆，因为这是最容易达到聚变条件的两种材料，氘在海水中的含量为0.02%，但氚基本不存在，不过可以通过中子轰击锂-6产生，因此这也提供了一种途径，即通过氘氚聚变时多余且难以处理的中子来轰击锂-6来实现氚的生产自持！

氘氚聚变反应

因为氘氚聚变不需要中子参与，所以中子就是一个恼人的无法处理的东西，刚好让其为生产聚变燃料氚做点小贡献，理论上一个氚核和氘核聚变能产生一个中子，但由于中子不好控制，所以这个效率仍然是值得商榷的，不过能捞回一点是一点吧，终比轰击在第一壁上嬗变人家要好得多。

对于现代人类掌握的这点技术来说，核聚变暂时还比较遥远，而快堆技术则受到各种安全技术限制，但总的来说快堆还是距离我们比较近一些，毕竟各国都有失败的经验，也有比较成熟的经验，比如我国的快堆“中国实验快堆”也已经在2012年投产，当前也在正常运作中，未来随着第四代的气冷快堆技术成熟，全球的能源技术将会出现一次核能革命，在核聚变实现之前，无疑这是一个最好的消息