“惊”掉下巴的后继，核电站的“燃料芯块反应度”是怎么测定的

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关于核电站的《核电站一天吃掉多少铀？算完了才不会“惊”掉下巴？》的文章都发出很久了，至今还有很多人回复问各种问题。其中有一个问题就集中在“燃料芯块反应度”上面。

通常的情况下是可以依靠化学方式来估算芯块反应程度的，这个事情其实并不难解释。但如果想把它弄明白就需要知道核反应的实质是什么。在核反应过程中，很多人都会张嘴就来“裂变”、“链式反应”……但其实这个过程还有一个更为神棍的术语叫做“嬗变”（transmutation）。

为什么说这个词神棍呢？这是一个早在炼金术士横行的年代里面就被造出来的高科技词汇。当时炼金术士追求能够进行“金变”的点金石——将贱金属转化为黄金。

transmutation一词当时就专指一种贱金属转换为贵金属的过程。虽然炼金术士通常将“嬗变”理解为一种神秘或宗教过程的隐喻，但一些从业者采用了字面解释，试图通过物理实验来提炼黄金。自中世纪以来，炼金术士、哲学家和科学家一直在争论金属嬗变的不可能性。从 14 世纪开始，伪炼金术嬗变被取缔并受到公开嘲笑。迈克尔·迈尔和海因里希·昆拉斯等炼金术士撰写了论文，揭露了有关黄金制造的欺诈性说法。到了 18 世纪 20 年代，再也没有任何受人尊敬的人物研究将物质物理嬗变成黄金。

在1958年出版的《原子的先驱研究：弗雷德里克·索迪的生平故事》记录着这一段情节“1901年，弗雷德里克·索迪与欧内斯特·卢瑟福共同发现放射性钍可以转化为镭，这才首次将其有意识地应用于现代物理学。索迪后来回忆说，在顿悟的那一刻，他大喊道：‘卢瑟福，这就是嬗变！’卢瑟福厉声反驳道：‘看在上帝的份上，索迪，别叫它嬗变。他们会砍掉我们炼金术士的脑袋的。’”

“嬗变”特指由一种元素转变为另一种元素。这里就和“核反应”的结果可以对得上号了，现在嬗变是指一种化学元素或同位素转化为另一种化学元素的过程。嬗变发生在原子核中质子或中子数量发生变化的任何过程中。

其实，我们现在所熟悉的元素周期表，并不应该是一个平面，而是三维、四维或者者五维的，这样才可以更好的表现出不同元素以及同位素的周期特性。常见的元素周期表在科研中就有点小儿科了。当然了现在都3NF（Normal Forms）了，也就没啥常规的表不表的概念了。

知道这点之后，我们就可以简单的理解嬗变是一种元素转化为另一种元素。那么我们回过头看核反应：

一枚铀-235的原子核捕获了一枚中字，释放出能量和两个中子以及裂变成一个钡原子核和一个氪原子核。很多人都是这样说的吧？

现在问题来了——当我们把一个杯子摔在地上后，我们很难保证一个杯子每次都裂成两个相同的裂片吧？

所以，铀-235吸收中子后会裂成钡和氪？不，仅仅是可能裂成钡和氪。更多时候，它是随缘爆开成一堆乱七八糟的放射性碎片，什么锶、氙、碲、铯、铷……能搞出一整张“反应堆里的新周期表”。

钡和氪仅仅是为了教学示意而采用的典型裂变路径。在上世纪40年代最早研究核裂变时（哈恩与史特拉斯曼实验），最早发现的裂变产物之一就是钡（Ba）。所以现在很多教材中就常用这一组来做例子。

读到这里，如果真的是W君的铁粉，以后人家问道核裂变反应中会生成什么原子，那么标准答案是啥？千万别说“钡和氪”，而是应该说“鬼知道会生成啥！”

那么为什么大家还是那么头铁说是钡和氪呢？这主要是一个统计学规律

铀-235捕获中子裂变后碎片一组集中在质量数 95 左右（轻碎片）、一组集中在质量数 135 左右（重碎片）表示钡的95和表示氪的137恰好在中位数上，所以大家就一直这么念叨了。

既然知道了铀-235这只玻璃杯裂变后的碎片大多是什么，那么我们就可以通过数碎片的方法来判断碎了多少玻璃杯——理论上是这样的吧？

在核反应堆工程领域中，这就叫做燃后分析（Post-Irradiation Examination，简称 PIE）。在这个过程中，反应堆中的燃料芯块被取出来，技术人员会把用过的燃料棒切成几段，再逐段溶解，用一套花里胡哨的湿法化学、离子色谱、ICP-MS 之类的手段，把每段里剩下的 U-235、生成的 Pu-239、Pu-240、裂变产物 Nd-148、Cs-137、Sm-149 全都测一遍。

这就好比，你有一盒玻璃杯，摔在地上，你可以数出剩下了多少的完整的杯子，但也可以去数一数有几个完整的杯底碎片，同样也是可以知道摔碎了多少玻璃杯。

这个过程反推过来放在PIE的领域中，就是一个“化验”的操作过程了。

当然了，大多数化验用的靶向元素往往还带有放射性，在一定时间内会进行衰变，再次转化为其他元素，这个过程会让实验出现一定的偏差。不过，由于有之前的数据积累，是可以进行一些修正的。基于数据积累，其实还可以利用一类叫做中子输送程序的模拟器来模拟核电站的燃料消耗情况。

这种程序在保证了前期燃料芯块的质量数据合格的情况下，很容易去用来估算核电站的燃料芯块使用情况。也就减少了一堆工程师窝在那里“手摸”乏燃料的操作。