为什么只能用铀和钚来做核燃料？而其它的元素却不行？

2021.5.15  来自：https://www.360kuai.com/pc/90e9f7cdb791793b9?cota=3&kuai_so=1&sign=360_da20e874&refer_scene=so_3

人类的生存离不开能量的供应，我们平常所使用的通常都只是化学反应所释放出的能量，从微观角度来看，化学反应只是涉及到原子的外层电子，而更强大的能量，则隐藏在原子核之中，也就是所谓的核能（也称原子能）。

人类获取核能主要有两个途径，即核聚变和核裂变，简单来讲，核聚变就是将若干个轻原子核“捏”在一起，核裂变则是将重原子核“掰开”。

就目前的情况来看，虽然人类还无法有效地掌控核聚变释放的能量，但人类对核裂变的应用还是小有成就的，迄今为止，人类已建成了数百个以核裂变为基础的核电站，不过这些核电站所使用的核燃料都是铀和钚。

那么问题就来了，地球上那么多重元素，为什么只能用铀和钚来做核燃料？而其它的元素却不行呢？下面我们就来聊一下这个话题。

原子核是由质子和中子构成，对于反物质而言，构成其原子核的则是反质子和反中子，我们把这些构成原子核的粒子统称为“核子”，一个原子核所包含的“核子”越多，其质量就越大，但科学家却发现，不同元素的原子核，其“核子”的平均质量却是不一样的。

在已知的所有元素中，铁原子核的“核子”平均质量最低，而其它元素的“核子”平均质量则会随着原子序数的增加（原子序数比铁大）或减少（原子序数比铁小）而逐渐递增。

这就意味着，原子序数低于铁的原子核发生核聚变，或者原子序数高于铁的原子核发生核裂变，都会出现质量亏损，而这些亏损的质量就会转变成能量，这可以通过爱因斯坦的质能方程式“E=mc^2”来进行描述。

尽管从理论上来讲，只要是原子序数比铁大的原子核就可以通过核裂变来释放出能量，但由于科技水平的限制，人类并不能随心所欲地在原子核的尺寸上来操纵物质，因此人类只能选择核裂变难度最低的元素来做核燃料，这大概需要满足以下几个条件。

1、原子核要足够大：这个道理很简单，原子核所包含的“核子”越多，其本身的稳定性就越差，也就越容易发生核裂变，释放的能量也就越多，所以最佳选择就是元素周期表中的锕系元素。

2、能够大量获取：锕系元素包括锕、钍、镤、铀、镎、钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘和铹等15种元素，其中只有锕、钍、镤、铀、镎和钚在自然界中存在，其它的则只能通过人工合成。可以看到，只是这个条件就淘汰了很多核燃料的“候选者”。

3、能够长期稳定地存在：锕系元素都是放射性元素，它们会自发地发生衰变，很显然，半衰期太短的元素是不适合用来作为核燃料的。

4、能够进行自持式链式裂变：要我们一个接一个地去“掰开”原子核是不现实的，所以最好就是我们只需要提供一个启动的步骤，然后核燃料就可以在不需要外界能量的情况下，持续地发生核聚变并释放出能量。

如上图所示，一个原子核发生裂变之后会释放出几个中子，如果这些中子数量能量足够高，就可能会引发其它原子核的裂变，这就被称为“自持式链式裂变”。

5、核燃料的裂变过程必须是可控的，否则的话就……

在已知的所有元素中，只有铀-235和钚-239能够同时满足以上所有的条件，正是因为如此，人类目前通常都只能用铀和钚来做核燃料。

补充说明一下，虽然自然界中的钚-239非常少，但是钚-239却可以通过人工核反应大量合成，简单来讲就是，我们可以通过人工方式让铀-238原子核捕获到一个中子，在此之后，该原子核就会发生β衰变，从而在短时间内转变成钚-239（以镎-239作为中间体）。

总而言之，地球上的其它元素并不是不能用来做核燃料，只是人类目前还暂时没有掌握相应的科技。不过可以想象的是，随着人类科技的不断进步，核燃料就不会只限制于一些特定的元素，或许在不太遥远的未来，人类甚至还可以直接用随处可见的石头来做核燃料。