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鈾礦科普—3原子能工業

來源:     發布時間:2018年11月11日 16:40     作者:系統管理員    

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  原子能工業

  原子能亦稱為原子核能或核能,原子能工業又稱為核工業。

  人類在利用原子能以前,利用的能量主要為機械能、化學能和電能等,直到20世紀初,人們才逐漸認識了原子和原子核。1938年奧托·哈恩(德國人,1879~1968)發現鈾的核裂變,并證實鈾核裂變時會釋放出巨大能量。到20世紀40年代初,著名物理學家恩利克·費米(美籍意大利人,1901~1954)領導的研究組建成人類第一臺(可控)核反應堆——芝加哥一號堆(Chicago Pile-1),首次實現了人類歷史上鈾核的可控自持鏈式裂變反應,標志著人類自此開啟了原子能時代。

  核能最初只是用于軍事目的。20世紀40年代初期,美、英、德等國就開展研制原子彈工作,其中以美國于1942年6月開始實施的“曼哈頓計劃”最為著名。美國于1942年建立了第一座核反應堆;1945年制成三顆原子彈,第一顆原子彈用于核試驗,其余兩顆投在日本的長崎和廣島;1945年以后,美國加緊建立新的核燃料工廠,大量制造和不斷改進原子彈,于1952年試驗氫彈成功。這期間蘇聯、美國、英國相繼建立了本國的原子能工業,并進行多次原子彈和氫彈的爆炸實驗。

  在研制原子彈期間,各國核科學家已預見,若能控制鈾的鏈式反應,便能達到民用核能的目的。1951年美國人,在一座生成钚的反應堆第一次發出核電;1954年蘇聯建成了世界第一座核電站——奧布寧斯克(Obninsk)核電站,以5000kW電功率開始發電。以此為開端,世界核電開始迅猛發展。

  核工業是一門學科門類多、技術密度程度高的綜合性新興工業,涉及專業范圍廣泛,包括鈾礦勘查、采冶、鈾純化與轉化、同位素分離(鈾濃縮)、核燃料組(元)件生產、核軍工、核電、乏燃料后處理、核廢物處置、核技術應用等,主要學科領域有物理、化學、電子學、冶金、化工、電力、機械制造、建筑、電機和精密儀表,以及計算技術、自動控制、材料學、傳熱學、醫學和生物學等。

  我國核工業是在中央正確決策和領導下創建和發展起來的,是中華民族歷史上前所未有的一項創舉。從1955年1月15日,毛澤東主席主持召開的中共中央書記處擴大會議,做出發展原子能事業的重大戰略決策開始,至今中國原子能工業已經走過60年的光輝歷程。這期間中國核工業取得了舉世矚目的成就:1964年10月16日,我國第一顆原子彈爆炸成功,成為世界第5個試驗核武器的國家;1967年6月17日,我國第一顆氫彈試驗成功;1970年,我國第一艘核動力攻擊潛艇下水。這就是新中國歷史上揚我國威、壯我國威的“兩彈一艇”,我國核工業的發展為制止國際核訛詐、反對核戰爭,保衛國家安全,維護世界和平做出了重大貢獻。

  1991年,我國第一座自行設計、建造和運營管理的核電站——浙江秦山核電站并網發電,標志著我國核能走向和平利用。原子能工業的發展、核電的應用為促進我國科學技術和經濟發展,改善能源結構,增強綜合國力,提高國際地位,發揮了重要作用。

  一、鈾的核裂變

  鈾的核裂變是在1938年由德國化學家奧托·哈恩與弗里茨·斯特拉斯曼最先確認;1939年初奧托·哈恩提出了“分裂核”的概念;1946年,我國著名物理學家錢三強及其夫人何澤慧在法國巴黎大學通過實驗發現了鈾原子核“三分裂”、“四分裂”的現象,在世界科學界引起強烈反響。

  核裂變又稱為核分裂,是指一個較重的原子核,在核反應中分裂為兩個較輕的其他原子核的核物理過程;在裂變過程中,產生大量的中子、β、γ射線和中微子,并放出巨大的核裂變能。理論計算,1千克鈾-235裂變釋放的能量相當于2700噸標準煤燃燒釋放的能量,兩者是270萬倍的關系(圖1-6 )。

  

  圖1-6 1千克鈾-235裂變放出的能量相當于2700噸標準煤釋放的能量示意圖

  (一)核裂變過程

  鈾-235原子核吸收一個中子后,使復合核處于激發態而發生振蕩。振蕩的結果出現兩種情況:一種是復合核由橢球體回復到球型,然后放出γ射線(瞬發γ射線),將過剩的能量釋放;另一種由于它的激發能較大,復合核快速分裂成兩個獨立的原子核。

  原子核裂變時發射出來的中子稱裂變中子,裂變中子分瞬發中子和緩發中子。瞬發中子是裂變過程中直接放出來的中子,這類中子占裂變中子總數的99%,能量分布范圍為0.05~5MeV。緩發中子是裂變碎片因含中子過多不穩定而放射出來的,其數目不足裂變中子總數的1%,平均能量在1MeV以下。緩發中子在慢中子裂變反應堆的控制上起著重要作用。

  (二)核裂變產物

  鈾-235的熱中子裂變方式在40種以上,生成的初級裂變產物(裂變碎片)可達80種以上。由于裂變碎片含中子偏多,其中子/質子(N/Z)遠超過穩定范圍,所以它們幾乎全部具有β放射性,一般分析認為每一碎片要經過4~5級β衰變后,才能形成穩定核素。

  因此,裂變產物中存在300多種放射性同位素和穩定同位素。大部分裂變產物,除了放出β粒子外,還放出γ射線(屬于緩發)。少數具有足夠激發能的裂變碎片,在β衰變過程中還放出中子(即為緩發中子)。

  (三)核鏈式裂變

  用中子轟擊鈾原子核,結果原子核分裂成兩塊中等質量數(周期表數據)的裂變碎片,同時釋放出大量能量和2~3個快中子(速度約2萬km/s),在適當條件下,這些中子會被其他鈾核吸收,再引發裂變,就像鏈條一樣環環相扣,一代代地傳下去,形成自持的鏈式反應,這就是鏈式裂變反應(圖1-7)。

  

  圖1-7 鏈式裂變反應示意圖

  由此可知,中子不斷入射是實現裂變鏈式反應的重要因素。若保持裂變鏈式反應能持續進行下去,就必須保持中子的平衡,即中子數目的不變。中子在一個反應堆系統中,總是經歷產生、運動和消亡的過程。只有被鈾核吸收并引起裂變的中子,在它本身消亡的同時能產生新一代的中子。

  除此之外,鈾核的自持鏈式反應與鈾同位素的種類有關。天然鈾中占99.275%的同位素鈾-238是不易裂變的,它僅在快中子作用下有一定的裂變概率。天然鈾在中子轟擊下發生裂變的主要成分是含量只有0.720%的鈾同位素鈾-235,此鈾同位素在快中子或慢中子轟擊下都能使之裂變,而且慢中子引起它裂變的概率更大。在同原子核碰撞過程中,減慢下來的中子遇到鈾-238核不但不能引起它發生裂變,反而更容易被它俘獲,造成中子損失而不利于鏈式反應的維持。若想達到裂變鏈式反應持續進行,一種辦法是把同位素鈾-235,從天然鈾中分離出來,使其含量富集;另一種方法是裂變時產生的快中子迅速變慢,成為速度約為2200m/s的慢中子,這時它引起鈾-235核裂變的概率已超過被鈾-238俘獲的概率,這時鏈式反應便可自行持續下去。因此,鈾核自持鏈式反應的應用可按不同方法進行,例如原子彈制造,要在最短時間內發生最大量的核裂變,必須采用前一種方法;采用后一種慢化中子方法時,可把天然鈾做成塊狀,按一定排列方式,在能有效減低中子速度的慢化劑中,形成可以維持和控制鏈式反應的裝置,即核反應堆。

  雖然每次鈾-235核裂變,平均產生2.42個中子,但不是所有的中子都有機會再遇上鈾-235核,即使跟鈾-235核發生碰撞,也不是每次碰撞都引起核裂變,其中,14%的中子被俘獲而損失,使可用的中子減少為2.07個。所以,為了實現自持裂變鏈式反應,反應堆必須維持臨界狀態。然而在非反應堆不同場合,例如裂變燃料的生產、加工、處理、貯存等都需采用各種措施,防止易裂變物質意外達到或超過臨界狀態,造成嚴重的放射性污染,甚至人員的傷亡。

  二、核燃料循環

  目前大部分動力堆和研究實驗用反應堆均采用濃縮鈾作為核燃料。為了獲取不同豐度的濃縮鈾和其他重要的裂變核燃料(如钚-239),鈾濃縮、核燃料轉換和核燃料循環在核燃料的生產過程中顯得格外重要。

  核燃料循環包括核燃料進入反應堆前的加工、在反應堆中發生鏈式裂變反應和乏燃料以及放射性廢物的處理處置過程。核燃料在進入反應堆前的加工過程稱為核燃料循環的前端,包括鈾礦勘查、采冶、純化與轉化、鈾濃縮、核燃料組件制造;核燃料從反應堆中卸出后的處理處置稱核燃料循環的后端,包括乏燃料的組件儲存、運輸、后處理和復用回收的易裂變核素、放射性廢物處理和處置(圖1-8)。

  核燃料循環主要有兩種不同的類型:鈾—钚(U—Pu)循環和釷—鈾(Th—U)循環。鈾—钚循環已實現工業規模的生產,釷—鈾循環尚處于試驗階段。現行壓水堆、沸水堆、重水堆和石墨堆均采用鈾—钚循環。

  

  圖1-8 核燃料循環

  鈾轉化是把鈾水冶廠精制的八氧化三鈾(黃餅)或二氧化鈾等中間產品制成鈾的氧化物、氟化物和金屬鈾的過程。

  鈾濃縮是指為了提高鈾-235相對豐度的同位素分離過程。鈾同位素分離實際上就是把鈾-235和鈾-238分開。常用的三種具有工業價值的分離方法:①氣體擴散法;②氣體離心法;③空氣動力學法。此外,激光法、化學交換法和等離子體法的工業應用研究已取得重大進展。

  氣體擴散法是最早實現工業應用的大規模生產方法,這種方法是使待分離的氣體混合物通過裝有擴散膜(分離膜)的裝置時,較輕分子和擴散膜碰撞的機會比較重的分子多,從而可以實現一定程度的分離。氣體離心法是在高速旋轉的離心機中,通過很強的離心力場的作用,實現輕、重同位素的分離。離心機運行中,較重的分子靠近外圍富集,較輕的分子靠近軸線富集。從外圍和中心分別引出氣體流,就可以得到相對貧化或富集的兩股流分。此法的同位素分離效果超過氣體擴散法,且電能消耗少、經濟成本低,成為一種工業規模生產富集鈾的常用方法。空氣動力學法又稱為噴嘴分離法。該方法是基于在壓力差的作用下,采用大量氦氣(約95%)或氫氣同六氟化鈾氣體混合形成工業氣流,使之通過處于高真空中噴嘴的狹縫面膨脹,在膨脹過程中離心加速到超聲速的氣流,輕、重分子受到不同的離心力而分離。這種方法的優點是級數較少,又避免了使用昂貴的擴散膜,因此可以節約投資,但耗能稍高于擴散法。

  核燃料轉換:在以鈾-235為裂變燃料的天然鈾或低濃縮鈾的反應堆中,存在著大量的鈾-238。鈾-238核俘獲中子后,經過兩次β衰變,生成新的裂變燃料钚-239。新的裂變燃料钚-239的產生是以原裝入堆的鈾-235的消耗為代價,故把這種過程稱為核燃料轉換。堆內生成的钚-239同鈾混合在一起,由于钚和鈾是不同化學元素,還可以用化學方法通過核燃料后處理過程予以分離,但钚的各種同位素不能用化學方法使之相互分離。所以,為了獲得較純凈的钚-239(例如軍用钚),必須在相當低的燃耗下將燃料元件從堆中卸出。

  三、核能的軍事利用

  核能問世后,先是應用于軍事方面,主要是用來制造原子彈、氫彈等核武器,以及將核能作為艦艇(核潛艇、核航空母艦等)的動力。迄今為止,核武器已發展了三代,即第一代原子彈,第二代氫彈,第三代中子彈。以下僅簡要介紹核能在制造原子彈、氫彈中的應用。

  (一)原子彈

  原子彈是利用鈾-235、鈾-233或钚-239等原子核裂變鏈式反應釋放出巨大能量的核武器,也可稱為裂變武器。原子彈按照結構原理的不同,可劃分為兩種不同類型。

  1. 壓攏型(也稱“槍型”)

  該類原子彈是利用一種“炮筒”裝置,將兩塊小于臨界質量的裂變物質,在化學炸藥爆炸時,產生的高壓下迅速合攏達到超臨界狀態,而引發核爆炸。為了延遲裂變物質飛散,維持鏈式反應較長時間,以提高原子彈的效率,要把原子彈裝在堅固的外殼內。其中,反射層鈾-238的密度大,同樣也能起到約束作用(圖1-9)。

  

  圖1-9 壓攏型原子彈結構原理圖

  1945年8月6日美國投在日本廣島的原子彈屬于壓攏型結構。代號稱為“小男孩”(Little Boy),彈重約4100kg,核裝料是豐度約80%的富集鈾,重量60kg,爆炸威力為14000噸TNT當量。1kg鈾全部裂變釋放的能量,大約是18000噸TNT當量,可見該彈核裝料的利用率很低只有1.2%。

  壓攏型原子彈的結構簡單,較易制造,性能可靠。但是也存在一些缺點,例如該類型原子彈,核裝料利用率低,另外,很難利用钚-239作核裝料。因為钚-239中不可避免地含有一定量的钚-240,钚-240自發裂變概率特別大,容易引起“過早點火”而影響爆炸效率。

  2. 壓緊型(也稱“內爆型”)

  該類原子彈原理是利用普通烈性炸藥,制成球形裝置,將小于臨界質量的核裝料(鈾-235或钚-239)制成小球,置于炸藥球中心,通過電雷管同步點火,炸藥球各點同時起爆,產生向心聚焦的壓縮波(又稱內爆波),將核裝料球體瞬間猛烈壓緊,增加其密度,使其超臨界狀態,實現自持鏈式反應而導致核爆炸(圖1-10)。壓緊型原子彈結構優于壓攏型結構,核裝料量比壓攏型原子彈少,利用率高。

  美國于1945年8月9日投在日本長崎的原子彈屬于壓緊型結構,代號叫“胖子”(Fat Man),彈重4500kg,采用石墨水冷鈾反應堆所生產的钚作為核裝料,爆炸威力為21000噸TNT當量,核裝料利用率為21%。它由3個同心圓球組成。外球殼是用鈾-238做的反射層,內球由兩個钚半球組成。內球中心是一個類似乒乓球大小的釙—鈹小球作為點火中子源。同心球體外面是由兩層楔形烈性炸藥組成的炸藥球,每層36塊,每塊上安裝兩個電雷管。

  

  圖1-10 壓緊型原子彈結構原理圖

  中國的第一顆原子彈采用內爆型結構,鈾-235裝料,于1964年10月16日在新疆羅布泊附近沙漠,高102m鐵塔上,成功地進行了核試驗,爆炸威力為22000噸TNT當量(圖1-11)。

         

  圖1-11 我國第一顆原子彈模型(左)及爆炸試驗成功后升起的蘑菇云(右)

  中國核工業的發展,從1955年開始鈾礦資源勘查算起,只用了不到10年的時間,便于1964年第一顆原子彈爆炸試驗成功。從此,中國進入世界有核武器國家的行列,成為世界上第5個擁有核武器的國家。中國發展核武器,完全是為了防御,在任何時候、任何情況下,都不會首先使用核武器。

  (二)氫彈

  氫彈是利用核聚變能的核武器,它是用氘和氚(氫的同位素)作燃料,利用氘和氚等輕原子核的熱核反應原理制成的熱核武器,通稱為氫彈,也稱為熱核彈,實際上應該叫氘氚彈或聚變彈。氫彈的結構(圖1-12)特征表明,由于沒有臨界質量的限制,氫彈的體積可大可小。因此,氫彈的戰術技術性能優于原子彈,有更為廣泛的用途。

  氫彈是熱核反應的產物,其熱核反應的先決條件是高溫(107~108K)。氫彈其自持聚變反應所必需的高溫、高密度條件,由原子彈爆炸來完成。因此,氫彈結構里都裝有一個專門引爆作用的原子彈爆炸裝置,通常稱為“扳機”,可見扳機即是控制氫彈起爆的開關。為了達到高威力,熱核裝料在點燃前的高度壓縮(密度增加15~30倍)尤為重要,為此需要巧妙地設計裂變“扳機”的適時開關。

  氫彈的熱核裝料氘和氚是氫的同位素,原子核間的靜電斥力最小。在較低溫度下即可激發明顯的聚變反應,而且反應釋放的能量較大。其聚變反應有氘—氘反應和氘—氚反應。當熱核裝料的溫度為幾百萬至幾億開(K)時,氘—氚反應速率要比氘—氘反應快100倍。因此氘—氚混合物比純氘更容易發生聚變反應。目前都采用可生成氚的固態陶瓷體氘化鋰-6(6LiD)作為氫彈的主要裝料。

  氫彈的爆炸威力一般為幾百萬噸甚至大到幾千萬噸TNT當量。有時與洲際彈道導彈和戰略轟炸機等遠程投射工具相結合的小型化氫彈或特殊性能氫彈也可按需求生產。這類氫彈并構成現代核威懾力量的主體。另外,中子彈、沖擊波彈、增強Χ射線彈等,都屬于特殊性能的氫彈。

  1954年3月,美國在太平洋上的比基尼島進行了第一次氫彈爆炸,威力為1500噸TNT當量。中國1966年12月28日用塔爆方式進行了氫彈試驗,爆炸威力為12.2萬噸TNT當量。1967年6月17日成功地進行了首次氫彈空爆試驗,爆炸威力為330萬噸TNT當量(圖1-13)。

圖1-12氫彈結構示意圖

圖1-13 我國第一顆氫彈爆炸試驗成功

  四、核能的和平利用

  核能的和平利用涉及面極其廣泛,包括核電、核動力、航空和航天等領域的應用,以及核技術在工業、農業、醫療等領域的應用。由于篇幅有限,在此主要介紹核能在核電中的利用。

  (一)核能發電技術簡介

  1.核反應堆與核電廠

  核電站又稱核電廠,其核心部分是反應堆,核反應堆是一個能維持和控制核裂變鏈式反應,從而實現核能-熱能轉換的裝置。人們建造核裂變反應堆主要把它當做一個“中子源”,利用裂變產生的大量中子以生產軍用和民用同位素或開展科學研究應用,另外核裂變反應堆可充當一個“熱源”以供熱、發電或提供動力。反應堆運行時堆內的核燃料通過鏈式裂變反應產生大量熱能,熱能在蒸汽發生器內產生蒸汽,蒸汽推動氣輪機帶動發電機運轉發電,發出的電通過電網源源不斷送往用戶,這就是核電廠的基本工作原理。

  目前世界上已建成的核電站中,動力堆主要有輕水堆(包括壓水堆和沸水堆)、重水堆、石墨堆(包括石墨氣冷堆和石墨水冷堆)以及快中子增殖堆等類型,其中壓水堆是當前最成熟、最主要的堆型。

  反應堆里裝的是天然鈾或低濃鈾(鈾-235富集度2%~5%),與原子彈有本質區別,原子彈里裝的是武器級鈾(鈾-235富集度≥90%)或者武器級钚(钚-239富集度≥93%)。因此,易裂變燃料濃度在反應堆里與原子彈里的區別,就像啤酒因酒精含量太低點不著火,而酒精可點著火一樣。

  2.世界核電的主要堆型

  (1)壓水堆

  壓水堆(PWR)是目前世界上動力堆的主要堆型,它主要由核島和常規島組成。核島主要設備有反應堆壓力容器、蒸汽發生器、反應堆冷卻劑泵(主泵)、穩壓器等一回路系統設備,以及為支持一回路系統正常運行和保證反應堆安全而設置的輔助系統。常規島主要有汽輪機、發電機、凝汽器、高低壓加熱器組等二回路系統設備,其形式與常規火電廠類似(圖1-14)。

  壓水堆是一種使用加壓輕水(即普通水)作冷卻劑和慢化劑,水在堆內不沸騰的核反應堆,是一種技術最成熟、運行安全、經濟適用的堆型。在運行的核電站中,壓水堆占60%以上。

  

  圖1-14 壓水堆核電站工藝流程示意圖

  20世紀90年代以來,出現了許多改進型壓水堆(APWR)。改進型壓水堆可減少大量的設備和管路,提高運行周期,縮短建造周期。

  我國在1991年12月15日成功并網發電的第一座核電站——秦山核電站,是壓水堆型核電站。

  (2)沸水堆

  沸水堆在核動力反應堆中所占比例僅次于壓水堆,占核電站運行動力堆的20%左右。與壓水堆相比較,主要差別在于沸水堆允許在堆芯中形成蒸汽。因此,它是以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑并在反應堆壓力容器內直接產生飽和蒸汽的動力堆(圖1-15)。

  沸水堆與壓水堆同屬輕水堆,都具有結構緊湊、建造費用低和負荷跟隨能力強等優點。

  

  圖1-15沸水堆核電站工藝流程示意圖

  (3)重水堆

  重水堆核電站是發展較早的核電站,有多種類別,但已實現工業規模推廣的只有加拿大發展起來的坎杜型(CANDU)壓力管式重水堆核電站。目前國際上已投入運行的重水堆核電站共30余座,總電功率為2335.4萬kW,約占全世界核電站總電功率的6.5%。擁有重水堆核電機組最多的國家是加拿大,韓國、阿根廷、印度、羅馬尼亞等國也有少量重水堆核電機組。

  秦山三期核電站是我國首座商用重水堆核電站,兩臺機組采用的是CANDU-6重水堆技術。

  管式重水堆的冷卻劑不受限制,可用重水、輕水、氣體或有機化合物;尺寸也不受限制,堆芯大,可減少中子的泄漏損失,還便于不停堆裝卸和連續換料,可省去補償燃耗的控制棒。

  (4)快中子增殖堆

  快中子增殖堆簡稱快堆,是由快中子引起鏈式裂變反應并可實現核燃料增殖的反應堆。快中子堆在運行中既消耗易裂變材料,又生產新易裂變材料,而且所產可多于所耗,能實現核易裂變材料的增殖。

  目前,世界上已商業運行的核電廠堆型,如壓水堆、沸水堆、重水堆、高溫氣冷堆等都是非增殖堆型,主要利用易裂變燃料,即使再利用轉換出來的钚-239等易裂變材料,它對鈾資源的利用率也只有1%~2%。快中子增殖堆使鈾資源的利用率可提高到60%~70%,使鈾資源得到充分利用,核裂變能將成為不可耗竭的能源。

  我國快中子堆采用池式結構,是目前世界上為數不多的具備發電功能的實驗快堆。我國實驗快堆的研究成功,使我國繼美、英、法、俄等國之后,成為世界上第8個擁有快堆技術的國家。

  (5)高溫氣冷堆

  高溫氣冷堆是采用包覆顆粒燃料,以石墨作慢化劑、氦氣作冷卻劑的反應堆。

  高溫氣冷堆有可能為鋼鐵、燃料、化工等工業部門提供高溫熱能,實現制氫、石油和天然氣裂解、煤的氣化等新工藝,開辟綜合利用核能的新途徑。

  20世紀60年代中期,英國、美國和德國研究發展高溫氣冷堆并先后建成功率規模較小的原型高溫氣冷堆核電站,并在此基礎上提出商業應用核電站方案。后由于技術經濟原因,至今尚未建成商業化高溫氣冷堆核電廠。高溫氣冷堆有高熱效率和固有安全特點,已被列入第四代核能推進堆型,有可能在本世紀20年代發展為商用核電站。

  我國高技術研究發展計劃(863計劃)中,清華大學設計建造了熱功率為10兆瓦的實驗性高溫氣冷實驗堆。美國的下一代核電站項目(NGNP)擬采用高溫氣冷堆。

  (二)世界核電發展概況

  自20世紀50年代初美國首次利用核能發電以來,至今核電已有60多年的歷史,經過半個多世紀的發展,核能已成為世界能源三大支柱(水電、火電、核電)之一。全球現有30多個國家和地區擁有核電,核電站數量已發展到400多座,在日本福島核事故前,核能發電占全球電力供應的16%左右;福島核事故后,日本大量機組停運,同時有些國家也新

  近建成一批核電機組投入運行,近年全球核能年發電量占比下降到約14%。截至2015年底,全球在運核電機組442臺,總裝機容量3.835億kW;在建核電機組66臺,總裝機容量6370萬kW。

  對鈾的需求主要是核電,近幾年來,核電對鈾的需求量約6萬噸,而天然鈾的生產量可滿足核電對鈾需求量的90%以上,剩余百分之幾由二次供應如鈾庫存、高濃縮鈾、后處理鈾等供給。據國際原子能機構最新(2014)報道,全球回收成本<260美元/kgU的現已查明常規鈾資源760多萬噸,同等級別的待查明常規鈾資源470多萬噸,如按現有和預測將要發展的核電裝機容量,上述鈾資源量完全可滿足中期(2030年)甚至到2050年核電對鈾的需求。

  全球已具有核發電能力的國家中,美國、法國、日本(福島核事故之前,日本在運反應堆數量統計)和中國等四國的在運反應堆數量為世界前四位,共占全球總數的50%左右。反應堆種類很多,其中壓水堆、沸水堆和重水堆是三種主要堆型,分別占總數的62.5%、19.2%和11.0%,可見使用最多的是壓水堆。在建反應堆大部分仍然是壓水堆,占到74.4%。

  據2014年底統計,擁有核電的國家中,核發電量比例占40%以上的國家有6個。法國核電量比例最高,為76.9%;后5個國家依次為斯洛伐克(56.8%)、匈牙利(53.6%)、烏克蘭(49.4%)、比利時(47.5%)、瑞典(41.5%),我國核發電量僅占總發電量的2.4%左右。

  自日本福島核事故發生以來,各國不斷采取措施,對現有反應堆開展安全檢查和評估,組織經驗反饋與交流,不斷改進優化核電技術,進一步提升了核電的安全性。當前全球核電建設已經開始復蘇。

  (三)我國核電發展現狀

  我國大陸核電從20世紀70年代初開始起步,1984年自行設計、建造的第一座30萬kW壓水堆核電站——秦山核電站破土動工,1991年12月15日成功并網發電,從而實現了我國大陸核電零的突破,經20多年運行一直處于安全穩定狀態,成為我國自力更生和平利用核能的典范(圖1-16)。經過30多年的發展,我國核電現已邁入安全高效、穩步發展的新階段。我國核電建設已采用更先進的第三代技術。“華龍一號”是由中核集團和中廣核集團在我國30余年核電科研、設計、制造、建設和運行經驗的基礎上,根據福島核事故經驗反饋以及我國和全球最新安全要求,研發的先進百萬千瓦級壓水堆核電技術,其安全指標和技術性能達到了國際三代核電技術的先進水平,具有完整自主知識產權,2015年5月7日首堆示范工程——中核集團福清核電站5號機組正式開工建設。“華龍一號”已進軍國際核電市場。在我國未來經濟發展及電力供給中核電無疑將成為一種不可或缺的理想新能源。

  截至2016年1月1日,我國大陸在運行的核電機組已有30臺(圖1-17),總裝機容量2859萬kW,世界排名第四;在建核電機組21臺,總裝機容量2355萬kW,占世界在建總裝機容量的36%,居世界第一。按我國核電建設規劃,到2020年,將實現運行總裝機容量5800萬kW,在建3000萬kW。2015年我國核電發電量1689.93億度,占全國年總發電量的3.014%,還遠低于目前世界平均水平的14%。根據相關研究預測,按常態發展目標測算,我國到2030年將建成在運行的總裝機容量11800萬KW(下限目標)。

  

  圖1-16我國自行設計、建造的第一座秦山核電站

  

  圖1-17我國大陸在運、在建核電站分布圖

  在核電建設方面,堅持熱堆、快堆、聚變堆“三步走”技術路線,近期以百萬kW級先進壓水堆為主,積極發展高溫氣冷堆、商業快堆和小型堆等新技術;合理把握建設節奏,穩步有序推進核電建設。

  我國臺灣省自20世紀70年代開始建造核電站以來,現已建成3座核電站,共有6臺機組運行,總裝機容量504.4萬kW;在建機組2臺,裝機容量270萬kW。

  (四)核技術在科學研究、航空、航天、工農業和醫療衛生中的應用

  核技術是指核非動力技術,雖不屬于核能領域,但與核能密不可分,它和核能已成為核領域的兩個重要方面。核技術是一種跨學科、跨領域、跨行業的交叉融合技術,與國計民生息息相關,其應用十分廣泛。目前,我國核技術應用已達到一定規模和水平,形成了一套從科研開發到產業化的完整體系。

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