随着质子物理技术的发展，核燃料的生产技术已经发生了革命性的变化。我们提出用强流质子源生产铀233和钚239，以及氘和氚的原理和技术。该技术可以使目前核能（裂变和聚变）原料短缺问题得到解决，同时也可以使核燃料的生产不再受天然原料的限制，同时降低成本。为了使我国在新一轮核能竞争和新能源领域领先世界，改善我们中华民族在未来几十年国际上的地位和生存环境，希望尽早进行该技术的研发与产业化。

（一）核裂变燃料生产的新技术

目前，用作核裂变的燃料还只限于铀235、钚239和铀233三种裂变物质。铀235只占天然铀的0.7%，从自然界分离非常困难，通常的气体扩散法获得铀235存在投资大、费用高、危险性高等困难。钚239是通过反应堆生产的：在反应堆内，铀238（占天然铀的99.27%）吸收一个中子，不发生裂变而变成铀239，铀239衰变成镎239，镎239衰变成钚239。由于钚与铀是不同的元素，因此虽然只有很少一部分铀转变成了钚，但钚与铀之间的分离，比起铀235同位素间的分离来却要容易很多，因而可以比较方便地用化学方法提取纯钚。铀233也是一种核裂变燃料，它是通过钍232在反应堆内经中子轰击，生成钍233，再相继经两次β衰变而制得。

从上面可以看到，铀233和钚239两种核燃料是通过反应堆生产的。它们是依靠铀235裂变时放出的中子生成的，也就是说，它们的生成是以消耗铀235为代价的，丝毫也离不开铀235。从这个意义上来说，完全可以把铀235称作核火种，因为没有铀235就没有反应堆，就没有大规模的原子能利用。

铀235只占天然铀的0.7%。随着世界核电的发展，铀矿价格越来越高，以铀235为基础的核材料存在原料成本高、投资大、生产危险性高等问题。

为了降低核裂变燃料的成本和生产危险性，并能够规模化生产核裂变燃料，我们提出用强流质子加速器将核废料铀238转化为核裂变燃料钚239。其工作原理是：用高能强流质子超导加速器轰击铅铍靶产生强流中子束，中子束轰击铀238生成铀239，铀239衰变成镎239，镎239衰变成钚239。具体核反应为：

这种方法的优点为：

（1）有用核材料增加了141倍；

（2）核裂变燃料成本剧烈下降；

（3）生产的固有安全性很高；

另外，对于核裂变燃料铀233，我们是用强流质子加速器中子源将钍232转化为核裂变燃料铀233。其工作原理是：用高能强流质子超导加速器轰击铅铍靶产生强流中子束，中子束轰击钍232生成钍233，钍233衰变成镤233，镤233衰变成铀233。具体核反应为：

我国是钍矿的蕴藏大国，在这一技术使用方面具有资源优势。

（二）核聚变燃料生产新技术

核聚变是点燃氢的同位素氘和氚等质量较轻的原子的原子核发生核聚变反应（热核反应）瞬时释放出巨大能量的核能。

氢的三种同位素是：氕（H，核内有1个质子，无中子，占99.98%）、氘（D，又叫重氢，原子核内有1个质子，1个中子，占0.016%）和氚（T，又叫超重氢，原子核内有1个质子，2个中子，占0.004%）。目前的核聚变燃料氘和氚主要从海水中通过电解水或反应堆获得，其成本高，不易做到规模化生产。

为了降低核聚变燃料的成本，并能够规模化生产核聚变燃料，我们提出用强流质子加速器中子源将氕转化为核聚变燃料氘和氚。其工作原理是：用高能强流质子超导加速器轰击铅铍靶产生强流中子束，中子束轰击氕生成氘和氚。具体核反应为：

或          
 

这种方法的优点为：

（1）有用核燃料可以大量生产；

（2）核聚变燃料成本下降；

（3）生产的固有安全性很高；

（三）核裂变燃料生产流程

（1）钚239的生产流程：首先将铀238用化学方法从铀矿提纯，之后将铀化合物溶液流过中子源，使铀238与中子发生核反应产生钚239。反应后的溶液我们进行化学方法分离，将钚239从铀238和镎239中提纯出来。剩余的化合物再次进行循环。

（2）铀233的生产流程：首先将钍232用化学方法从钍矿提纯，之后将钍化合物溶液流过中子源，使钍232与中子发生核反应产生铀233。反应后的溶液我们进行化学方法分离，将铀233从钍232和镤233中提纯出来。剩余的化合物再次进行循环。

核裂变燃料生产流程如图2.5所示。

图2.5  核裂变燃料钚239和铀233的生产流程示意图

（四）核聚变燃料生产流程

氘和氚的生产流程：首先将提纯后的氢气通过中子源，使氕与中子发生核反应产生氘和氚。核反应后的气体我们进行等离子化并进行加速，之后通过二极电磁铁，将氕、氘和氚分离出来。剩余的氢气再次进行循环。核聚变燃料生产流程如见图2.6所示。

（五）关键技术

从核裂变燃料生产流程和核聚变燃料生产流程中，我们可以看到，如果我们不用核反应堆生产核燃料，而用新技术完成核燃料，我们需要三大系统的集成：强流质子加速器、强流种子发生器以及核燃料分离系统。

图2.6  核聚变燃料氘和氚的生产流程示意图

（1）强流质子加速器

根据核燃料生产新技术的原理以及各种质子加速器的特点，我们认为强流质子超导加速器是最佳选择。在研发阶段，建设一个400MeV的实验平台作为研究核武器装药生产新技术就足够了。

目前，离子源、RFQ、DTL和强流质子超导加速器已经在美国散裂中子源、韩国PEFP项目的加速器上通过了连续束，大流强实验，技术成熟。强流中子源在美国SNS也实验成功并正常运行。也就是说，我们已经具备大规模生产核燃料的技术。

（2）强流中子发生器

表2.6  不同靶材料的物理性能

目前，质子束产生中子可以用质子轰击锂靶、铅靶、铅铍靶等产生。表2.6列出了目前常用的一些中子靶的特性。由于铅铍靶的熔点低、沸点高等特点，做中子靶一方面利于填充靶材料，另一方面也可以作为中子源的冷却剂。

在这里，我们采用双分流中子发生器结构：主要铅铍靶流动反应回路和装药反应回路两条组成。这样的设计利于规模化生产核燃料。

（3）核燃料分离技术

主要由传统的质谱分离技术进行分离。氕经过反应之后生产氘和氚，氕氘氚气体经过电离后生产等离子体，并进行低能加速，之后通过二极电磁铁，将氕、氘和氚分离出来。剩余的氢气再次进行循环。

核裂变燃料钚239和铀233的分离采用传统的分离技术，从化学溶剂中进行提纯。具体的提纯技术和参数还需要质子辐照下材料物性和物质演变实验装置上进行验证。

（六）经济效益分析

根据由于钚239和铀233与核武器紧密相联，没有公开的市场价格。根据百度网络价格，其价格在3000亿元/吨。如果一台加速器每年能够生产10吨钚239或铀233，将是3万亿的产值。当然，这些核燃料是否在将来随着批量化生产，价格是否下降，不得而知。

目前，氚的市场价约为40亿元/立方米，氘约为5百万元/立方米，如果一台加速器能够生产1000立方米的氚，也是一个4万亿的产值。氚和氘是中子源的重要原材料，市场前景不错。因此，核燃料生产技术的实现，一方面维护国家和能源安全，另一方面将带动一个万亿级别的产业。