百科名片
快滋生反應器(Fast breeder reactor),或稱為快中子滋生反應器、快中子增殖反應器等,是一種核子反應器,利用快中子被可孕材料吸收而變成可裂材料,而產生自行製造核燃料的效果,製造燃料多於消耗燃料的,就稱為快滋生反應器。另外也有利用熱中子進行滋生反應的“熱滋生反應器”。
原理
核燃料中包含兩種成份,一種是如鈾-235、鈽-239等容易產生分裂的同位素,稱為“可裂材料”,另一種是如鈾-238等的,捕捉到一個中子後可以轉變為相對應的可裂材料,因此稱為“可孕材料”,如鈾-238可轉變為鈽-239,釷-232可轉變為鈾-233。
核燃料進行裂變反應時,每次的裂變會產生2到3箇中子,如果反應器沒有使用緩和劑(減速劑),則大部份的核裂變都將由快中子所誘發,這類的反應器就稱為快中子反應器。快中子有的會逃出核心、被其它材料吸收或被燃料本身吸收,若能有至少一個中子能再誘發分裂,核反應就能持續下去。而在反應器中,可裂材料一方面因耗分裂而消耗,另一方面卻因可孕材料捕獲中子變為可裂材料而增加,若增加的速度快過消耗的速度,這種反應器就稱為滋生反應器。
可孕材料可由高速中子誘發分裂,但低速中子和熱中子則不行,另外可孕材料分裂後產生的高速中子,容易與原子核發生非彈性碰撞而使能量降低到不足以誘發其它分裂,因此燃料里仍然需要足夠的可裂材料,故快滋生反應器的可裂材料濃度較一般商用反應器要高。反應器要達到滋生的目的,一方面必須有效利用中子,由於快中子反應器的中子泄逸比例較大,因此多在反應器外圍包上一層由可孕材料組成的圍包(blanker),以捕獲由核心泄逸出來的中子。
另一方面,需儘量增加每箇中子誘發分裂而釋放出來的中子數(稱為η值),理論上至少要達到2,若中子沒有消耗,則其中一個用於誘發下一個核分裂,另一個則被可孕材料吸收,這樣可裂材料增加的速度才能剛好等於消耗速度,由此可知滋生反應器的η值必須大於2。以鈾-235、鈽-239和鈾-233等做為可裂材料的η值,在快中子反應器中分別為2.10、2.45和2.31,且鈾-238也是含量最多的鈾同位素,故以鈽-239為可裂材料,以鈾-238為可孕材料的,用做快滋生反應器的潛力最大。
現狀
由於是將原本不足以進行連鎖反應的材料變成可以使用的材料,利用快滋生反應器,可使鈾燃料的利用率較原先增加50倍,對於核燃料有限的問題有很大的幫助。但是在核反應器中製造更多的燃料是有風險的,製造出來的鈽可能會促進核子增生反應,同時提煉鈽必須進行的燃料再制,會產生放射性廢料,可能造成大量放射線外泄,加上能用於製造核燃料,可能被用於製造核武器所需,在限制核武問題上亦有疑慮。
因此前美國總統卡特於1977年禁止在美國進行這類再制,目前美國、英國、法國和德國都已停用這類反應器,只有印度、俄羅斯、日本和中國等國家仍有使用計畫。而日本設於茨城縣東海村的快速滋生反應爐“文殊”於1995年發生液態鈉泄漏事故後暫停運作。