مادة خصبة

المادة الخصبة هي مادة، على الرغم من أنها ليست قابلة للانشطار في حد ذاتها، إلا أنه يمكن تحويلها إلى مادة قابلة للانشطار عن طريق امتصاص النيوترونات .

تشمل المواد الخصبة الموجودة بشكل طبيعي والتي يمكن تحويلها إلى مادة انشطارية عن طريق التشعيع في مفاعل ما يلي:

• الثوريوم-232 الذي يتحول إلى اليورانيوم-233
• اليورانيوم-234 الذي يتحول إلى اليورانيوم-235
• اليورانيوم-238 الذي يتحول إلى البلوتونيوم-239

تشمل النظائر الاصطناعية المتكونة في المفاعل والتي يمكن تحويلها إلى مواد انشطارية عن طريق التقاط نيوترون واحد ما يلي:

• البلوتونيوم-238 الذي يتحول إلى البلوتونيوم-239
• البلوتونيوم-240 الذي يتحول إلى البلوتونيوم-241

تحتاج بعض الأكتينيدات الأخرى إلى أكثر من عملية التقاط نيوترون واحدة قبل الوصول إلى نظير قابل للانشطار وطويل العمر بما يكفي ليكون قادرًا على التقاط نيوترون آخر والانشطار بدلاً من التحلل.

• البلوتونيوم-242 إلى أمريسيوم -243 إلى كوريوم -244 إلى كوريوم -245
• من اليورانيوم-236 إلى النبتونيوم -237 إلى البلوتونيوم-238 إلى البلوتونيوم-239
• يتحلل الأمريسيوم -241 إلى الكوريوم -242 إلى الكوريوم -243 (أو، على الأرجح، يتحلل الكوريوم-242 إلى البلوتونيوم-238، والذي يتطلب أيضًا نيوترونًا إضافيًا واحدًا للوصول إلى نواة قابلة للانشطار).

بما أن هذه النوى تتطلب ما مجموعه 3 أو 4 نيوترونات حرارية لحدوث الانشطار، بينما ينتج عن الانشطار النيوتروني الحراري حوالي 2 إلى 3 نيوترونات فقط، فإنها تمثل خسارة صافية للنيوترونات. لذا، يتعين على المفاعل دون الحرج العامل ضمن نطاق النيوترونات الحرارية تعديل قوة مصدر النيوترونات الخارجي بما يتناسب مع تراكم هذه المواد أو استهلاكها. أما في المفاعل السريع ، فقد تتطلب هذه النوى عددًا أقل من النيوترونات لتحقيق الانشطار، بالإضافة إلى إنتاج المزيد من النيوترونات عند حدوث الانشطار. مع ذلك، هناك أيضًا احتمال حدوث تفاعلات (n,2n) أو حتى (n,3n) "إقصاء" (حيث يصطدم نيوترون سريع بالنواة وينطلق منها أكثر من نيوترون واحد) مع النيوترونات السريعة، وهو أمر غير ممكن مع النيوترونات الحرارية.

يمكن تهيئة مفاعل النيوترونات السريعة، أي المفاعل الذي يحتوي على كمية قليلة من مهدئ النيوترونات أو لا يحتوي عليه إطلاقًا، وبالتالي يستخدم النيوترونات السريعة ، كمفاعل توليد ، حيث ينتج مواد انشطارية أكثر مما يستهلك، باستخدام مواد خصبة في غلاف يحيط بالقلب، أو موجودة في قضبان وقود خاصة . ونظرًا لأن البلوتونيوم-238 والبلوتونيوم -240 والبلوتونيوم -242 خصبة، فإن تراكم هذه النظائر وغيرها من النظائر غير الانشطارية يُعد أقل إشكالية مما هو عليه في المفاعلات الحرارية ، التي لا تستطيع حرقها بكفاءة. ولا تُعد مفاعلات التوليد التي تستخدم نيوترونات الطيف الحراري عملية إلا إذا تم استخدام دورة وقود الثوريوم ، لأن انشطار اليورانيوم-233 أكثر موثوقية بكثير مع النيوترونات الحرارية من انشطار البلوتونيوم-239. يمكن للمفاعل دون الحرج - بغض النظر عن طيف النيوترونات - أن "يولد" أيضًا النظائر الانشطارية من المواد الخصبة، مما يسمح من حيث المبدأ باستهلاك الأكتينيدات منخفضة الدرجة للغاية (مثل وقود MOX المستهلك الذي يحتوي على نسبة عالية جدًا من البلوتونيوم-240 بحيث لا يمكن استخدامه في المفاعلات الحرارية الحرجة الحالية) دون الحاجة إلى مواد عالية التخصيب كما هو الحال في مفاعل التوليد السريع .

تشمل التطبيقات المقترحة للمواد الخصبة إنشاء منشأة فضائية لتصنيع المواد الانشطارية اللازمة للدفع النووي للمركبات الفضائية . من المفترض أن تنقل هذه المنشأة المواد الخصبة من الأرض، بأمان عبر الغلاف الجوي ، وتضعها في منشأة فضائية عند نقطة لاغرانج L1 بين الأرض والقمر، حيث يتم تصنيع المواد الانشطارية، مما يلغي مخاطر نقلها من الأرض. ^{[ 2 ]} على الرغم من وجود اليورانيوم والثوريوم على سطح القمر ، إلا أنهما يبدوان بكميات أقل مما هما عليه على الأرض، خاصةً بالقرب من السطح. إذا رُغِبَ في استخدام الموارد الموجودة في الموقع لتشغيل محطات الطاقة النووية على القمر، فإن تحويل المواد الخصبة إلى مواد انشطارية قد يكون وسيلةً لإطالة عمر هذه الموارد وتقليل الحاجة إلى تخصيب اليورانيوم، الذي يتطلب الفلور المتطاير ذي الخصائص الكيميائية العدوانية لتحضير سادس فلوريد اليورانيوم المستخدم في تقنية التخصيب الحالية.