Плодородный материал — это материал, который, хотя сам по себе и не является расщепляющимся , может быть преобразован в расщепляющийся материал путем поглощения нейтронов .
Природные воспроизводимые материалы, которые можно преобразовать в расщепляющийся материал путем облучения в реакторе, включают:
Искусственные изотопы, образующиеся в реакторе, которые могут быть преобразованы в расщепляющийся материал путем захвата одного нейтрона, включают:
Некоторым другим актинидам требуется более одного захвата нейтрона, прежде чем получится изотоп, который является как делящимся, так и достаточно долгоживущим, чтобы, вероятно, захватить еще один нейтрон и произвести деление вместо распада.
Поскольку для деления им требуется в общей сложности 3 или 4 тепловых нейтрона, а деление тепловыми нейтронами генерирует всего около 2–3 нейтронов, эти нуклиды представляют собой чистую потерю нейтронов. Подкритический реактор, работающий в спектре тепловых нейтронов, должен будет регулировать мощность внешнего источника нейтронов в соответствии с накоплением или потреблением таких материалов. В быстром реакторе эти нуклиды могут требовать меньше нейтронов для достижения деления, а также производить больше нейтронов при делении. Однако существует также вероятность (n,2n) или даже (n,3n) реакций «выбивания» (падающий быстрый нейтрон попадает в ядро, и более одного нейтрона покидает его) с быстрыми нейтронами, что невозможно с тепловыми нейтронами.
Реактор на быстрых нейтронах , то есть реактор с небольшим или отсутствующим замедлителем нейтронов и, следовательно, использующий быстрые нейтроны , может быть сконфигурирован как реактор-размножитель , производящий больше делящегося материала, чем потребляет, используя воспроизводящий материал в бланкете вокруг активной зоны или содержащийся в специальных топливных стержнях . Поскольку плутоний-238 , плутоний-240 и плутоний-242 являются воспроизводящими, накопление этих и других неделящихся изотопов представляет меньшую проблему, чем в тепловых реакторах , которые не могут эффективно их сжигать. Реакторы-размножители, использующие нейтроны теплового спектра, практичны только в том случае, если используется ториевый топливный цикл , поскольку уран-233 делится гораздо надежнее с тепловыми нейтронами, чем плутоний-239. Подкритический реактор — независимо от спектра нейтронов — может также «размножать» делящиеся нуклиды из воспроизводящего материала, что в принципе позволяет потреблять актиниды очень низкого качества (например, отработанное МОКС-топливо , содержание плутония-240 в котором слишком высоко для использования в современных критических тепловых реакторах) без необходимости использования высокообогащенного материала, как в быстром реакторе-размножителе .
Предлагаемые приложения для фертильного материала включают космическую установку для производства расщепляющегося материала для ядерного двигателя космического корабля . Установка теоретически будет транспортировать фертильные материалы с Земли, безопасно через атмосферу , и размещать их на космическом объекте в точке Лагранжа L1 Земля-Луна , где будет происходить производство расщепляющегося материала, устраняя риск безопасности транспортировки расщепляющихся материалов с Земли. [2] Хотя уран и торий присутствуют на Луне , они, по-видимому, находятся в более ограниченном количестве, чем на Земле, особенно вблизи поверхности. Если желательно использовать ресурсы на месте для топлива атомных электростанций на Луне, преобразование фертильного материала в расщепляющийся материал может быть способом продлить срок службы ресурсов и снизить потребность в обогащении урана , которое требует химически агрессивного летучего фтора для приготовления гексафторида урана , используемого в текущей технологии обогащения.