核燃料擴散的秘密
要了解核燃料升值的秘密，首先要了解核燃料裂變的秘密。壹般來說，根據核燃料在自然界的豐度、提取成本和裂變的難易程度，我們選擇鈾的同位素U-235(元素符號為U)作為核反應堆的燃料，其裂變過程如下:
鈾-235的鏈式反應
因為重元素原子核中質子和中子的總數很高，鈾是92號元素，它有92個質子。根據不同的同位素，中子的數量會有所不同，這樣巨大的原子核在強力和電磁斥力的作用下是不穩定的，因此可能會衰變或裂變。當鈾原子被熱中子擊中時，它開始裂變過程:
鈾235裂變過程
首先，U-235原子在獲得壹個中子後會變成U-236，但U-236的堿基不穩定，會分裂成兩個更小的原子核，即Kr-92(Kr-92第36號元素)和Ba-141(Ba-Ba-141(56號元素)。
U-235原子的核裂變過程
連鎖反應的關鍵
鏈式反應的關鍵就在於這個冗余的3n，也就是說裂變過程中會跑出三個冗余的中子，但是快中子U-235不會被吸收，或者吸收率極差，在被下壹個原子核俘獲之前就跑出反應堆了，無法繼續裂變，所以鏈式裂變會掛掉，裂變反應堆會失速！所以需要減速中子，因為U-235偏好低速中子，所以核反應堆的輕水反應堆和重水反應堆都是根據慢化劑的性質來命名的:
輕水反應堆慢化劑:水H2O
重水反應堆慢化劑:重水D2O
大多數現代商用核反應堆都是這兩種類型，其他只是安全結構不同。
增殖反應堆的秘密
鏈式反應取決於3n個額外中子的數量，這也是增加核燃料價值的關鍵。因為U-238在快中子的轟擊下可以轉化為鈈-239，每次裂變可以產生2-3個中子將U-238轉化為鈈-239，所以在這樣的反應堆中燃燒的每壹個鈾核都會產生不止壹個鈈核，所以燃料越來越多，所以這樣叫。
鈾-238的原子核吸收壹個中子變成鈾-239會怎麽樣？衰變為鎿-239，然後通過？衰變為鈈-239，這是完美的增殖過程！
核裂變時不同原子釋放的中子數是不壹樣的。壹個原子釋放並誘發裂變的中子數稱為？值，所以呢？如果值大於2，有可能越燒越多。不同的細胞核？這些值如下所示:
鈾-235: 2.10
鈈-239: 2.45
鈾-233: 2.31
鈈-239的數值是最高的，所以大部分正在運行或正在運行的快堆到處都使用鈈-239作為核燃料(前蘇聯使用的是濃度相對較高的鈾-235)，在其外圍，是U-238(不易裂變的鈾同位素)可以吸收中子，然後轉化為可燃的核燃料。真正的增殖反應堆誕生了，用鈈-239做燃料，但是鈈-239越燒越多，簡直就是完美的反應堆！
快中子增殖堆的裝機容量很差。
但事實上，全世界運行的增殖反應堆只有幾個！這是為什麽呢？是否遭到了傳統能源行業的抵制？
為什麽這個快中子增殖反應堆沒有大量建造？
在上壹篇文章中，我們了解到現代核反應堆流行兩種慢化劑，壹種是輕水反應堆，慢化劑是水，另壹種是重水反應堆，慢化劑是重水。但是快中子增殖堆需要快中子，不需要減速中子，所以反應堆堆芯周圍不能出現水和重水！
但是，水和重水不僅是慢化劑，還是熱交換的重要介質。比如輕水反應堆有壓水堆和沸水堆。前者通過高壓壹次超臨界水將高溫傳遞給二次回路中的介質，壹般是水！沸水堆直接把水加熱成蒸汽(有放射性)，然後帶動汽輪機發電。重水堆的流程和壓水堆壹樣！
快中子增殖反應堆用什麽來傳熱？
傳熱必須有介質，所以說人類文明史就是壹部燒開水的歷史也不為過。即使在未來的核聚變反應堆裏燒水，也只是翻新，而在快中子增殖堆裏直接燒水是不可能的，所以必須改變。該介質有以下要求:
首先，這種介質不能使中子減速。
其次，中子吸收面小。
最後，這種介質必須易於流動。
但出乎所有人意料的是，科學家選擇了金屬鈉作為傳熱介質，因為如果忽略鈉固體和容易燃燒爆炸的缺點，它是快堆的完美傳熱介質，所以大多數建造早期快堆的國家都選擇了鈉作為冷卻劑。事實上，快中子增殖反應堆的結構類似於壓水堆。壹回路中的水或重水被金屬鈉代替，金屬鈉在高溫下是壹種流動的液體，在外面被渦輪交換使水沸騰，冷卻後返回反應堆吸熱。
快中子增殖反應堆
金屬鈉的沸點是883℃，所以反應器的溫度必須控制在這個溫度以下。但是鈉冷堆沒有高壓，所以壓力風險不大。然而，鈉是壹種物質，當它接觸到空氣或水時會燃燒和爆炸。高溫金屬鈉壹旦泄漏，風險很大，所以冷快中子反應堆遇到的最大問題就是鈉泄漏引發的火災，這似乎是壹個尚未解決的問題！
鈉冷快中子增值反應堆
著名的鈉冷快堆事故
眾所周知的鈉冷快堆事故是日本的文殊堆。1995年2月8日，文殊堆二次冷卻系統溫度計(熱電偶)套管損壞，640公斤鈉蒸汽從管道中噴湧而出，引發火災。反應堆緊急停堆，調查負責人在東京酒店自殺壹個月。
日本的文殊增殖堆
此後，文殊反應堆的安全設計和泄漏時采取的措施出現重大失誤。所以關於是否重啟的拉鋸戰已經持續了近15。2010年5月6日然而，同年8月26日，反應堆內燃料更換的機械臂發生故障，導致無法更換濃縮燃料(日本將從中分離鈈-239)，導致負責人墜落事故。
日本正式報廢文殊堆
2016 65438+2月21，日本政府決定1970開工，1995運行，總造價1萬億日元，但是只正常運行了250天的文殊堆就退役了！
其他冷卻劑呢？
金屬鉛作為冷卻劑也能滿足需求。鉛的中子吸收截面比鈉小，功率密度更高，可以用來建造更大的核電站。然而，它的問題和優點壹樣明顯。因為鉛的熔點是327℃，在管道裏很難融化，壹旦啟動就必須不停的流動。鉛蒸氣劇毒，建設成本太高！
蘇聯鉛冷快堆結構圖
氣冷快中子增殖堆實際上是氣冷核反應堆歷史上最早的堆型(石墨做慢化劑，切爾諾貝利做壓力管石墨沸水堆)，但功率密度低，燃料消耗低，被沸水堆和壓水堆取代。然而，與快中子增殖堆中的鈉和鉛相比，氣冷的缺點並不那麽明顯。
氣冷快速增殖反應堆
氣冷快中子增殖反應堆仍在研究中。它屬於第四代核反應堆，使用氦氣或二氧化碳作為冷卻氣體。希望它的出現能解決問題，發揮優勢，利用現代難以處理的乏燃料，這樣即使核聚變還沒有實現，人類也能堅持幾千年。
除了快中子增殖堆，還有其他越燒越多的反應堆嗎？
壹般來說，除了快中子增殖堆，重水堆也可以用來制造核燃料，但效率和利用率沒有快堆高。現代核燃料的最佳循環是通過重水堆獲得原始鈈-239積累，然後用快堆燃燒鈈-239，獲得70%的核燃料利用率，這將使人類核燃料增加數百倍。但遺憾的是，由於種種限制，暫時無法完美實現。
反應堆芯
與裂變類似，中子增殖的方式也會出現在核聚變反應堆中，這種方式來自於人類正在試圖突破的氘氚聚變反應堆，因為這是最容易滿足聚變條件的兩種材料。海水中氘的含量為0.02%，而氚基本不存在，但可以通過中子轟擊鋰-6產生，因此也提供了壹種在氘氚聚變中用多余的、難處理的中子轟擊鋰-6實現氚自持產生的途徑。
氘氚聚變反應
因為氘氚聚變不需要中子，中子是壹個很討厭的東西，處理不了，只是對聚變燃料氚的產生貢獻很小。理論上壹個氚核和氘聚變可以產生壹個中子，但是因為中子沒有控制好，這個效率還是值得商榷的，但是壹點點弄回來，比第壹堵墻就把人給轟了好多了。
對於現代人類掌握的這項技術，核聚變暫時還比較遙遠，而快堆技術受到各種安全技術的限制，但總的來說，快堆還是離我們比較近的。畢竟各國都有失敗的經驗，也有成熟的經驗，比如中國的快堆。中國實驗快堆？2012投產，目前正常運行。未來，隨著第四代氣冷快堆技術的成熟，全球能源技術將會出現壹場核能革命，這無疑是核聚變實現之前最好的消息。