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混合堆概念的提出

  令人十分欣慰的是,氘、氚聚變不僅是一個(gè)巨大的能源,而且是一個(gè)巨大的中子源。我們可以利用聚變反應(yīng)室產(chǎn)生的中子,在聚變反應(yīng)室外的鈾-238、釷-232包層中,生產(chǎn)钚-239或鈾-233等核燃料。這就是所謂聚變裂變混合堆,簡(jiǎn)稱混合堆。

大型核電試驗(yàn)基地一角  混合堆是一個(gè)可供選擇的堆型。鈾-235原子核一次裂變,可以放出2.43個(gè)中子;氘、氚一次聚變,只放出1個(gè)中子,比鈾-235一次裂變放出的中子少;但由于鈾-235吸收中子后有一部分會(huì)變成鈾-236而不裂變,所以鈾-235每次平均要吸收1.175個(gè)中子才能裂變,要求鈾-235質(zhì)量大,如果按相同質(zhì)量比較,氘、氚聚變放出的中子數(shù),是鈾-235裂變釋放的凈中子數(shù)的43倍以上。氘、氚聚變時(shí)釋放的能量,80%變成聚變時(shí)放出的中子的動(dòng)能。因而氘、氚聚變不僅釋放的中子數(shù)量多,而且釋放的中子能量高。鈾-235裂變放出的中子能量大多為100~200萬(wàn)電子伏,而氘、氚聚變放出的中子,能量高達(dá)140O萬(wàn)電子伏。然而要直接利用高能量中子的這部分動(dòng)能是很困難的?墒菑纳a(chǎn)核燃料的角度來(lái)看,一個(gè)聚變中子的作用比一個(gè)裂變中子的作用大得多。這是因?yàn)楦吣芫圩冎凶愚Z擊到鈾-238及釷-232靶上,可以產(chǎn)生一系列串級(jí)的引起中子和核燃料增殖的核過(guò)程,釋放出比聚變中子能量稍低但數(shù)量增加幾倍的次級(jí)中子。這些次級(jí)中子,除了一部分仍可使鈾-238及釷-232裂變繼續(xù)放出中子外,還有一部分可以使鈾-238及釷-232變成钚-239及鈾-233等優(yōu)質(zhì)核燃料。

  在適當(dāng)厚的天然鈾靶內(nèi),一個(gè)聚變中子可以生產(chǎn)出22倍于它所攜帶的能量,并獲得5個(gè)钚-239原子核。由于這個(gè)原因,如果在聚變反應(yīng)室外放置一層足夠厚的由天然鈾、鈾-238或釷-232組成的再生區(qū),聚變產(chǎn)生的中子,就可以在再生區(qū)生產(chǎn)钚-239及鈾-233,并釋放出裂變能。這個(gè)再生區(qū)又叫混合堆的裂變包層。當(dāng)然聚變中子也可以使再生區(qū)中的鋰變成氚,補(bǔ)充氚的消耗。根據(jù)這種考慮,早在1953年,美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的鮑威爾,就提出了建立聚變-裂變混合堆的建議。正是由于使用聚變產(chǎn)生的中子,有可能比軍用生產(chǎn)堆生產(chǎn)出更多的核武器用的钚-239,所以美、前蘇聯(lián)、英聚變研究的早期,是高度保密的。后來(lái)看到這種方式一時(shí)難以成功,才互相解密,開(kāi)展了大規(guī)模的國(guó)際合作。

研究之路仍然漫長(zhǎng)  混合堆的相對(duì)優(yōu)勢(shì)

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