探秘中國核電燃料基地

就像普通火電廠發(fā)電依靠燃燒煤炭產生熱量，核電站發(fā)電依靠的也是一種礦物質—天然鈾。 不同于煤炭可以直接燃燒，天然鈾必須需要經過鈾開采、純化和轉化、再進行濃縮后，送往核燃料元件制造廠制成核燃料。每個環(huán)節(jié)都有專業(yè)公司進行。 從甘肅省蘭州市區(qū)出發(fā)，往西約一小時車程后到達西固區(qū)，中核蘭州鈾濃縮公司（下稱蘭鈾公司）坐落于此。在整個核燃料循環(huán)產業(yè)鏈中，蘭鈾公司負責鈾濃縮工藝。 蘭鈾公司是中國最早建設的核燃料生產基地和核工業(yè)濃縮生產“搖籃”，背靠群山，面臨黃河的地理位置為其形成了天然屏障。 蘭鈾公司原為中國核工業(yè)總公司五四廠，先后為中國第一顆原子彈、第一枚氫彈、第一艘核潛艇、第一座核電站提供了合格的核燃料，在中國核工業(yè)體系中占據(jù)舉足輕重的地位。 依靠核燃料發(fā)生核裂變或核聚變反應產生能量進行發(fā)電，是核電站工作的原理。 目前已有的核電站都利用核裂變反應發(fā)電，通常以鈾、钚作為核燃料，而中國、美國、法國等核電站以鈾為主要核燃料。 鈾是一種稀有的放射性金屬元素，也是自然界中最重的金屬元素之一，以3種同位素存在，分別為鈾234、鈾235和鈾238，可從鈾礦中直接提取。提取出來的鈾礦物被稱為天然鈾，是生產濃縮鈾的原料。 根據(jù)測算，1千克鈾235放出的熱量，相當于2700噸標準煤、200萬立方米天然氣產生的熱量。 進行地質勘探和鈾礦開采，是核燃料的最前端環(huán)節(jié)，其次是鈾的純化和轉化。由于鈾礦中有很多雜質和影響核反應的物質，必須提純和精制，才能制作成天然鈾產品，這一過程被稱為鈾的純化。純化過后的天然鈾產品還必須經過轉化，形成可以反應的形態(tài)，再進行鈾的濃縮。 在眾多環(huán)節(jié)中，鈾濃縮被稱為最為關鍵的一環(huán)。鈾有3種同位素，但只有鈾235才是真正能做核反應的核燃料。然而，鈾235只占到天然鈾質量的0.711%，其余大部分為鈾238。 “像目前普遍采用的壓水堆，鈾235的濃度要濃縮到3%-5%。”蘭鈾公司黨委書記姚新民向界面新聞記者介紹，必須通過鈾同位素的分離，來提高鈾同位素混合物中鈾235的含量，這便是鈾濃縮。 “如果濃度達到90%以上，就可作為核武器的燃料，這也是各國對鈾濃縮技術當作核心機密的原因。” 同位素的分離極為困難，技術要求很高，主要有擴散法、離心法、激光法等方式，而離心法是目前全球采用最為普遍的方法。 利用離心法分離同位素實現(xiàn)鈾濃縮，關鍵是離心機的制造。離心機產業(yè)化不能實現(xiàn)，即使擁有大量鈾資源，因不能實現(xiàn)鈾濃縮，也就無法生產出核燃料。 據(jù)蘭鈾公司介紹，中國是目前世界上少數(shù)完全掌握該技術的國家之一。 經過多年的技術攻關，中國完成了鈾濃縮技術的升級換代，從擴散法升級到了離心法。 2013年6月21日，中核集團在蘭鈾公司宣布，中國核工業(yè)關鍵的鈾濃縮技術完全實現(xiàn)自主化和工業(yè)化應用，表明中國具備了核燃料生產的自主化工業(yè)能力。 在蘭鈾公司進行鈾濃縮后的鈾產品，需要再送往核燃料元件制造廠制成核燃料芯塊，就像是過去家家戶戶所用的煤球或者蜂窩煤。再將燃料芯塊裝載鋯合金管中，封裝成燃料棒。 如此，芯塊裂變產生的物質就都能被包在燃料管中。 這還并未結束，還要將鋯合金燃料管組合成一個高近4米的長方體燃料組件，才裝入核反應堆內進行發(fā)電。 一座百萬千瓦的核反應可以一次裝入150多個燃料組件，總重量達幾十噸。 在蘭鈾公司的鈾濃縮主工藝廠房中，界面新聞記者看到，數(shù)十萬臺形似暖水瓶的離心機，整齊排列而成。從外部看并無特殊之處，但其里邊則呈現(xiàn)高速旋轉的狀態(tài)，將鈾235和鈾238分離開來，之后進行富集濃縮。 離心機使得鈾濃縮生產成本大大降低。據(jù)蘭鈾公司高級工程師張敏謙介紹，采用離心法進行鈾濃縮，耗電量大概相當于此前擴散法的1/25，綜合成本下降近一半。 目前，蘭鈾公司已經建成三期鈾濃縮項目，正在建設的第四期項目也已進入安裝調試。中國核電發(fā)展目標是，到2020年核電裝機容量達到5800萬千瓦。 張敏謙介紹稱，中核集團的鈾濃縮產能滿足這一裝機量不成問題，未來還計劃打開國外市場，實現(xiàn)出口。