核燃料

核燃料是核反應堆發生裂變反應的材料。 不同的反應器類型有不同的燃料。 每個核燃料至少含有一種易裂變核素，主要是鈾； 單個裂變核素有時也表示為核燃料。 在大多數反應堆中，鈾不作為天然鈾使用，而是以濃縮形式使用。 在運行期間，核燃料中的中子捕獲會產生其他裂變核素，例如钚同位素。

核燃料可根據其化學性質或技術應用形式加以區分。 在整個使用壽命期間成分和其他特性的變化稱為侵蝕。

與核燃料不同的是在反應堆運行中從中培育新燃料的培育材料。 產卵有時也被稱為弱核燃料。

截至 2021 年，絕大多數使用的核燃料都是氧化物，即 UO2 或 PuO2。 它們主要用于輕水反應堆，但也用于其他系統。 優點是在相對較高的溫度范圍內具有熱穩定性和化學穩定性。 缺點包括低導熱性。

簡單的生產、高導熱性和高密度是決定性的。 金屬核燃料由于其與水的反應性、在特定溫度下密度自發變化以及在操作過程中膨脹而不再使用。 然而，仍然可以找到研究和培訓反應堆等例外情況。

在反應堆系統（第四代）的進一步發展過程中，出現了碳化物和氮化物核燃料的概念。 重點是陶瓷材料的優點。 其中一些已經在 1950 年代和 1960 年代進行了測試，但沒有進一步追求有利于氧化物。 與氧化物相比，其優勢在于更高的密度、相對較高的熔化溫度和大約高十倍的熱導率。

另一個發展是熔鹽，燃料溶解在其中。 液相為反應器設計帶來了完全不同的技術可能性和挑戰。 好處包括 裂變產物可能的連續清潔、可能的高溫度范圍和燃料組件生產的遺漏。 一個主要缺點是鹽的腐蝕性。 與鈾水溶液一起，這些概念以前也進行過研究，但后來沒有進一步研究。 作為第四代的一部分，他們也受到了新的關注。

燃料棒是迄今為止最常見的燃料棒形式。 幾米長的氣密包殼管通常封裝著一堆陶瓷燃料芯塊。 然而，陶瓷燃料也可以顆粒形式使用。 包殼管在輕水和重水反應堆中由鋯合金制成，在增殖反應堆中由不銹鋼制成。

燃料棒不是單獨使用的，而是在所有反應堆類型中組合成束（燃料元件）。

高溫反應堆使用嵌入石墨中的核燃料，例如以小 UO2 顆粒的形式。 這些燃料組件在某些設計中是網球大小的球體，在其他設計中是棱柱形橫截面的垂直柱。

在一些研究和訓練反應堆中，使用了特殊的核燃料：在西門子訓練反應堆中，板由含有氧化鈾 (U3O8) 粉末的聚乙烯制成； 在 TRIGA 反應堆中，鈾、鋯和氫的化合物； 在慕尼黑研究反應堆 FRM II 中，由鈾硅化物鋁分散燃料制成的特殊形狀板。

當燃料不再對反應堆的熱量產生有顯著貢獻時，它被認為是“用過的”。 這尤其適用于為此原因在反應堆中更換的所有燃料或燃料元件。