核燃料

核燃料是核反应堆发生裂变反应的材料。 不同的反应器类型有不同的燃料。 每个核燃料至少含有一种易裂变核素，主要是铀； 单个裂变核素有时也表示为核燃料。 在大多数反应堆中，铀不作为天然铀使用，而是以浓缩形式使用。 在运行期间，核燃料中的中子捕获会产生其他裂变核素，例如钚同位素。

核燃料可根据其化学性质或技术应用形式加以区分。 在整个使用寿命期间成分和其他特性的变化称为侵蚀。

与核燃料不同的是在反应堆运行中从中培育新燃料的培育材料。 产卵有时也被称为弱核燃料。

截至 2021 年，绝大多数使用的核燃料都是氧化物，即 UO2 或 PuO2。 它们主要用于轻水反应堆，但也用于其他系统。 优点是在相对较高的温度范围内具有热稳定性和化学稳定性。 缺点包括低导热性。

简单的生产、高导热性和高密度是决定性的。 金属核燃料由于其与水的反应性、在特定温度下密度自发变化以及在操作过程中膨胀而不再使用。 然而，仍然可以找到研究和培训反应堆等例外情况。

在反应堆系统（第四代）的进一步发展过程中，出现了碳化物和氮化物核燃料的概念。 重点是陶瓷材料的优点。 其中一些已经在 1950 年代和 1960 年代进行了测试，但没有进一步追求有利于氧化物。 与氧化物相比，其优势在于更高的密度、相对较高的熔化温度和大约高十倍的热导率。

另一个发展是熔盐，燃料溶解在其中。 液相为反应器设计带来了完全不同的技术可能性和挑战。 好处包括 裂变产物可能的连续清洁、可能的高温度范围和燃料组件生产的遗漏。 一个主要缺点是盐的腐蚀性。 与铀水溶液一起，这些概念以前也进行过研究，但后来没有进一步研究。 作为第四代的一部分，他们也受到了新的关注。

燃料棒是迄今为止最常见的燃料棒形式。 几米长的气密包壳管通常封装着一堆陶瓷燃料芯块。 然而，陶瓷燃料也可以颗粒形式使用。 包壳管在轻水和重水反应堆中由锆合金制成，在增殖反应堆中由不锈钢制成。

燃料棒不是单独使用的，而是在所有反应堆类型中组合成束（燃料元件）。

高温反应堆使用嵌入石墨中的核燃料，例如以小 UO2 颗粒的形式。 这些燃料组件在某些设计中是网球大小的球体，在其他设计中是棱柱形横截面的垂直柱。

在一些研究和训练反应堆中，使用了特殊的核燃料：在西门子训练反应堆中，板由含有氧化铀 (U3O8) 粉末的聚乙烯制成； 在 TRIGA 反应堆中，铀、锆和氢的化合物； 在慕尼黑研究反应堆 FRM II 中，由铀硅化物铝分散燃料制成的特殊形状板。

当燃料不再对反应堆的热量产生有显着贡献时，它被认为是“用过的”。 这尤其适用于为此原因在反应堆中更换的所有燃料或燃料元件。