- 原子核的裂变是产生核能的主要方式。
- 核反应堆中原子核的裂变停止之后，新产生的裂变产物和超铀元素仍会继续发生放射性衰变。
中子
中子是反应堆中最为重要的物质，因为它是反应堆中的各种物理过程的源头。当中子与一个类似于U-235（铀235）那样的重原子核相遇时，这个中子就有可能被重核俘获，伴随而来的就是有可能发生核的裂变。当中子被原子核俘获时，这两个粒子会形成一个新的复合核。U-238 + n ==> U-239就是其中一个简单的例子，这个反应式代表了U-239的形成过程。一般而言，这个新产生的复合核是不稳定的。它会自发衰变为另外一种核素。在上述提到的过程中，U-239就会通过释放β粒子的方式，转变为Np-239（镎239）。但是在某些特定情况下，新的复合核产生后，就会马上引发核的裂变。总而言之，无论是否发生核裂变，重核俘获中子总会产生新的复合核。至于裂变是否发生，这取决于入射中子的速度和重原子核的种类等多方面的因素。
核裂变
任何重原子核俘获中子以后都有可能引发裂变反应。然而，低能中子（即热中子）只有与一些特定的铀和钚的同位素作用才能引发裂变。有趣的是，这些符合要求的铀，钚同位素的原子核都包含奇数个中子（例如U-233，U-235和Pu-239）。此外，对于某些包含奇数个中子的超铀元素，热中子也能与之作用，引发裂变。那么，对于那些包含偶数个中子的原子核，是否就没有发生核裂变的可能了呢？事实上，只要入射中子的能量高于1兆电子伏（MeV），这些原子核仍然有可能发生裂变。（反应堆中新产生的中子就有如此高的能量，其速度可达到光速的7%！然而，大多数中子经历慢化以后，能量要减少许多，其速度大概只相当于音速的8倍。）
在中子物理中，科学家定义了一个物理量来表征核裂变和其它由中子引发的核反应的概率，即核反应的反应“截面”。想象一下，如果把原子核看作“靶子”的话，中子与原子核作用后要想发生核反应，中子必须入射到原子核的特定区域上。显然，这个“靶区域”的面积大小直接决定核裂变发生的难易程度。这也就是“截面”这个物理量的由来。由下图可知，U-235和Pu-239（钚239）这两种核素的裂变截面的大小的变化情况。在中子速度为20,000 km/s 到2 km/s这个范围内，裂变截面会随着中子速度的减小而迅速增大（即引发核裂变的概率将激增）。对于像U-235这样的包含奇数个中子的原子核，当入射中子为热中子时， 裂变截面将会变得非常大！
反应堆中新产生的中子在经历慢化（减速）后，会与周围环境达到热平衡，最终成为热中子。（这是由于中子与其周围的原子一样，会通过无规则的热运动来传递能量。其结果是使中子和周围原子的动能趋于一致）。在热反应堆中，使中子减速的物质被称作“慢化剂”，水就是一种常见的慢化剂。慢化后的热中子轰击U-235核，引发裂变并释放能量。这种利用普通的水作为慢化剂的反应堆叫做“轻水反应堆”。（补充一下，最常见的两种轻水反应堆包括“压水堆”和“沸水堆”）。另外几种易裂变核素（热中子引发的裂变）包括U-233, Pu-239 和 Pu-241。这几种核素分别可由Th-232 , U-238 和 Pu-240为原料，在反应堆中依靠人工方式制成。这其中，U-235是唯一一种天然存在的易裂变放射性核素。（虽然在天然铀的各种同位素中，U-235的丰度只有区区0.7%）。
核裂变的过程
我们用热堆中的U-235为例加以说明，当中子被铀核俘获后，新产生的复合核吸收了中子的能量。复合核本身是不稳定的，它很有可能分裂为两个质量相近的裂变碎片。这些裂变碎片对应的元素都可以在元素周期表的中间位置找到，但分裂产生的两个裂变碎片却存在上百种可能的具体情况。事实上，在复合核分裂时，除了这些裂变碎片以外，还会产生一定数量的中子。（一般是2到3个，平均为2.5个左右）。这也是链式核裂变反应能够延续的原因。反应堆中要发生链式核反应需要“中子源”。我们会在反应堆内插入混合有铍和钋，镭或其它α放射体的燃料组件。当这些α放射体衰变产生的α粒子轰击铍原子核时，铍核会释放出一个中子，而它本身则会转变为碳12。
实际上，复合核的分裂除了产生裂变碎片以外，还会释放大量的能量。其中，85%的能量是裂变碎片的初始动能。这些碎片在堆内移动很微小的距离之后，它们的动能就基本转化为了反应堆的热能了。还有一部分能量来自于裂变过程中释放的γ射线以及裂变中子的动能。这些裂变中子，很大一部分是在裂变的瞬间产生的（约10-14s）。我们称之为“瞬发中子”，还有极小比例的中子（对于U-235，比例为0.7%；对于Pu-239，比例为0.2%）是某些裂变碎片在衰变过程中发射出来的。我们把这些中子称之为“缓发中子”。在衰变过程中能产生这些中子的裂变碎片，通常叫作“缓发中子先驱核”。而缓发中子先驱核的半衰期最长可达到56秒！
本文摘自
http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Introduction/Physics-of-Nuclear-Energy/