學術交流

1. 原子及原子核 
  世界上的一切物質都是由帶正電的原子核和繞原子核旋轉的帶負電的電子構成的。原子核包括質子和中子,質子數決定了該原子屬于何種元素,原子的質量數等于質子數和中子數之和。如一個鈾-235原子是由原子核(由92個質子和143個中子組成)和92個電子構成的。如果把原子看作是我們生活的地球,那麽原子核就相當于一個乒乓球的大小。雖然原子核的體積很小,但在一定條件下它卻能釋放出驚人的能量。
2. 同位素 
  質子數相同而中子數不同或者說原子序數相同而原子質量數不同的一些原子被稱爲同位素,它們在化學元素周期表上占據同一個位置。簡單的說同位素就是指某個元素的各種原子,它們具有相同的化學性質。按質量不同通常可以分爲重同位素和輕同位素。
3. 铀的同位素 
  鈾是自然界中原子序數最大的元素。天然鈾的同位素主要是鈾-238和鈾-235,它們所占的比例分別爲99.3%和0.7%。除此之外,自然界中還有微量的鈾-234。鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的2700000倍。
4. 核能及其获取途径 
  核能,是核裂變能的簡稱。50多年以前,科學家在的一次試驗中發現鈾-235原子核在吸收一個中子以後能分裂,在放出2—3個中子的同時伴隨著一種巨大的能量,這種能量比化學反應所釋放的能量大的多,這就是我們今天所說的核能。核能的獲得途徑主要有兩種,即重核裂變與輕核聚變。核聚變要比核裂變釋放出更多的能量。例如相同數量的氘和鈾-235分別進行聚變和裂變,前者所釋放的能量約爲後者的三倍多。被人們所熟悉的原子彈、核電站、核反應堆等等都利用了核裂變的原理。只是實現核聚變的條件要求的較高,即需要使氫核處于幾千萬度以上的高溫才能使相當的核具有動能實現聚合反應。
5. 重核裂变 
  重核裂变是指一个重原子核,分裂成两个或多个中等原子量的原子核,引起链式反应,从而释放出巨大的能量。例如,当用一个中子轰击U-235的原子核时,它就会分裂成两个质量较小的原子核,同时产生2—3个中子和β、γ等射线,并释放出约200兆电子伏特的能量。 如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀-235原子核,便引起新的裂变,以此类推,裂变反应不断地持续下去,从而形成了裂变链式反应,与此同时,核能也连续不断地释放出来。
6. 轻核聚变 
  所謂輕核聚變是指在高溫下(幾百萬度以上)重氫核(氘核)與超重氫核(氘核)結合成氦放出大量能量的過程,也稱熱核反應。它是取得核能的重要途徑之一。由于原子核間有很強的靜電排斥力,因此在一般的溫度和壓力下,很難發生聚變反應。而在太陽等恒星內部,壓力和溫度都極高,所以就使得輕核有了足夠的動能克服靜電斥力而發生持續的聚變。自持的核聚變反應必須在極高的壓力和溫度下進行,故稱爲“熱核聚變反應”。
氫彈是利用氘、氚原子核的聚變反應瞬間釋放巨大能量這一原理制成的,但它釋放能量有著不可控性,所以有時造成了極大的殺傷破壞作用。目前正在研制的“受控熱核聚變反應裝置”也是應用了輕核聚變原理,由于這種熱核反應是人工控制的,因此可用作能源。
7. 一种新能源—核电站 
  目前化石燃料在能源消耗中所占的比重仍处于绝对优势,但此种能源不仅燃烧利用率低,而且污染环境,它燃烧所释放出来的二氧化碳等有害气体容易造成 “温室效应“,使地球气温逐年升高,造成气候异常,加速土地沙漠化过程,给社会经济的可持续发展带来严重影响。与火电厂相比,核电站是非常清洁的能源,不排放这些有害物质也不会造成“温室效应”,因此能大大改善环境质量,保护人类赖以生存的生态环境。 
  世界上核電國家的多年統計資料表明,雖然核電站的投資高于燃煤電廠,但是,由于核燃料成本遠遠地低于燃煤成本,相反核燃料反應所釋放的能量卻遠遠高于化石燃料燃燒所釋放出來的能量,而且核燃料取之不皆,這就使得目前核電站的總發電成本低于燒煤電廠。
8. 核能是可持续发展的能源 
  據估計,在世界上核裂變的主要燃料鈾和钍的儲量分別約爲490萬噸和275萬噸。這些裂變燃料足可以用到聚變能時代。輕核聚變的燃料是氘和锂,1升海水能提取30毫克氘,在聚變反應中能産生約等于300升汽油的能量,即“1升海水約等于300升汽油”,地球上海水中有40多萬億噸氘,足夠人類使用百億年。地球上的锂儲量有2000多億噸,锂可用來制造氚,足夠人類在聚變能時代使用。況且以目前世界能源消費的水平來計算,地球上能夠用于核聚變的氘和氚的數量,可供人類使用上千億年。因此,有關能源專家認爲,如果解決了核聚變技術,那麽人類將能從根本上解決能源問題。

 
1. 核工业的主要业务范围 

  核工業的主要業務範圍包括:鈾礦勘探、鈾礦開采與鈾的提取、燃料元件制造、鈾同位素分離、反應堆發電、乏燃料後處理、同位素應用以及與核工業相關的建築安裝、儀器儀表、設備制造與加工、安全防護及環境保護。
2. 核燃料循环及其组成 
  核燃料循環是指核燃料的獲得、使用、處理、回收利用的全過程。它是核工業體系中的重要組成部分。核燃料循環通常分爲前端和後端兩部分,前端包括鈾礦勘探、鈾礦開采、礦石加工(包括選礦、浸出、提取和沈澱等工序)、精制、轉化、濃縮、元件制造等;後端包括對反應堆輻照以後的乏燃料元件進行鈾钚分離的後處理以及對放射性廢物進行處理、貯存和處置。
3. 铀矿地质勘探 
  鈾是核工業最基本的原料。鈾礦地質勘探的目的是查明和研究鈾礦床形成的地質條件,總結出鈾礦床在時間上和空間上的分布規律,並用此規律指導普查勘探,探明地下的鈾礦資源。普查勘探工作的程序爲區域地質調查、普查和詳查、揭露評價、勘探等,同時還要求工作人員進行地形測量、地質填圖、原始資料編錄等-系列的基礎地質工作。
分散在地殼中的鈾元素在各種地質作用下不斷集中,最終形成了鈾礦物的堆積物,即鈾礦床。了解鈾礦床的形成過程,對鈾礦普查勘探具有十分重要的指導意義。並不是所有的鈾礦床都有開采、進行工業利用價值的。據統計,在已發現的170多種鈾礦床及含鈾礦物中,具有實際開采價值只有14~18%。影響鈾礦床工業的兩個主要因素是礦石品位和礦床儲量。此外,評價的因素還有礦石技術加工性能、礦床開采條件,有用元素綜合利用的可能性和交通運輸條件等。
4. 铀矿开采 
  生产铀的第一步是铀矿开采。其任务是从地下矿床中开采出工业品位的铀矿石,或将铀经化学溶浸,生产出液体铀化合物。由于铀矿有放射性,所以铀矿开采其特殊方法。常用的主要有三种:露天开采、地下开采和原地浸出。 露天开采一般用于埋藏较浅的矿体,方法剥离表土和覆盖岩石,使矿石出露,然后进行采矿。 地下开采一般用于埋藏较深的矿体,此种方法的工艺过程比较复杂。与以上两种法方法相比,原地浸出采铀具有生产成本低,劳动强度小等优点,但其应用有一定的局限性,仅适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床 。其方法是通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带,通过化学反应选择性地溶解矿石中的有用成分--铀,并将浸出液提取出地表,而不使矿石绕围岩产生位移。
5. 铀矿石的加工 
  鈾礦石加工的目的是將開采出來的具有工業品位或經放射性選礦的礦加工富集,使其成爲含鈾較高的中間産品,即通常所說的鈾化學濃縮物。將此種鈾化學濃縮物精制,進一步加工成易于氫氟化的鈾氧化物作爲下一步工序的原料。
  鈾礦石加工的主要步驟包括:礦石品位、磨礦、礦石浸出,母液分離、溶液純化、沈澱等工序。
爲了便于浸出,礦石被開采出來後,必須將其破碎磨細,使鈾礦物充分暴露。然後采用一定的工藝,借助一些化學試劑(即浸出劑)或其它手段將礦石中有價值的組分選擇性地溶解出來。浸出方法有兩種:酸法和堿法。由于浸出液中鈾含量低,而且雜質種類多,含量高,所以必須將雜質去除才能確保鈾的純度。實現這一過程,可以選擇以下兩種方法:離子交換法(又稱吸附法)和溶劑萃取法。水冶生産的最後一道工序是將沈澱物洗滌、壓濾、幹燥,然後得到水冶産品鈾化學濃縮物,又稱黃餅。
6. 铀的浓缩 
  爲了提高鈾-235濃度所進行的鈾同位素的分離處理稱爲濃縮。通過濃縮可以爲某些反應堆提供鈾-235濃度符合要求的鈾燃料,現今所采用的濃縮方法有氣體擴散法、分離法、激光法、噴嘴法、電磁分離法、化學分離法等,其中氣體擴散法和離心分離法是現代工業上普遍采用的濃縮方法。濃縮處理是以六氟化鈾形式進行的。
7. 核燃料元件 
  经过提纯或浓缩的铀,还不能直接用作核燃料。必须经过化学,物理、机械加工等处理后,制成各种不同形状和品质的元件,才能供反应堆作为燃料来使用。 核燃料元件种类繁多,按组分特征来分,可分为金属型、陶瓷型和弥散型;按几何形状来分,有柱状、棒状、环状、板状、条状、球状、棱柱状元件;按反应堆来分,可以分为试验堆元件,生产堆元件,动力堆元件(包括核电站用的核燃料组件)。 
  核燃料元件一般都是由芯體和包殼組成的。由于它長期在強輻射、高溫、高流速甚至高壓的環境下工作,所以對芯片的綜合性能、包殼材料的結構和使用壽命都有很高的要求。可見,核燃料元件制造是一種高科技含量的技術。
8. 乏燃料的后处理 
  經過輻照的燃料元件,從堆內卸出時總是含有一定量未分裂和新生的裂變燃料。乏燃料的後處理的目的就是回收這些裂變燃料如鈾-235,鈾-233和钚,利用它們再制造新的燃料元件或用做核武器裝料。此外,回收轉換原料(鈾-238,铯-137,锶-90),提取處理所生成的超鈾元素以及可用作射線源的某些放射性裂變産物(如铯-137,锶-90等),都有很大的科學和經濟價值。但此項工序放射性強,毒性大,容易發生臨界事故,所以,在進行乏燃料的後處理時一定要加強安全防護措施。 
  後處理工藝一般分爲四個步驟:冷卻與首端處理、化學分離、通過化學轉化還原出鈾和钚、通過淨化分別制成金屬鈾(或二氧化鈾)及钚(或二氧化钚)。冷卻與首端處理是冷卻將乏燃料組件解體,即脫除元件包殼,溶解燃料芯塊。化學分離(即淨化與去汙過程)是將裂變産物從U-Pu中清除出去,然後用溶劑淬取法將鈾-钚分離並分別以硝酸鈾酰和硝酸钚溶液形式提取出來。
9. 三废处理与处置 
  在核工業生産和科研過程中,會産生一些不同程度放射性的固態、液態和氣態的廢物,簡稱爲“三廢”。在這些廢物中,放射性物質的含量雖然很低,危害卻很大。普通的外界條件(如物理、化學、生物方法)對放射性物質基本上不會起作用。因此在放射性廢物處理過程中,除了靠放射性物質的衰變使其放射性衰減外,就只能采取多級淨化、去汙、壓縮減容、焚燒、固化等措施將放射性物質從廢物中分離出來,使濃集放射性物質的廢物體積盡量減小,並改變其存在的狀態,以達安全處置的目的。這個過程稱爲“三廢處理與處置”。 
 

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