我国铀浓缩离心机投入工业运营 保障未来核电燃料

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我国铀浓缩离心机投入工业运营 保障未来核电燃料

21日,中核集团公司在兰州铀浓缩基地宣布,我国核工业关键的铀浓缩技术完全实现了自主化和工业化应用。这意味着我国的核燃料生产能力不仅可以满足国内核电发展的需要,而且具备了国际竞争实力。

“铀浓缩离心机技术,是核燃料生产的关键技术,也是衡量国家核技术水平的重要标志。我们经过多年自主研制,掌握了这项技术并转化成为工业生产能力,这对保障国家能源安全和我国核电的可持续发展有着重大战略意义,也标志着我国可以上场同俄罗斯和西欧两家世界顶尖的铀浓缩公司同台竞技了。”中核集团公司总工程师雷增光说到激动处扬手做了一个“上场”的手势。

记者走进这个坐落在兰州西郊山峦下、黄河边的兰州铀浓缩有限公司,在一个大型白色厂房里看到一排排的离心机设备正在运转,发出轻微的嗡鸣声,看不见的机器内部高速旋转着将天然铀中的铀235与铀238分离,使之成为适合核电站使用的燃料。

核电站使用的核燃料要求铀235的含量在2%至5%之间,但在天然铀中,铀235的含量只有0.7%,其余为铀238,因此需要提高铀235的含量。当前主流的铀浓缩离心机技术,是利用高速旋转产生很强的离心力场,来实现二者的分离。

这项“高精尖”技术原来只有俄罗斯等少数国家掌握。雷增光历数研发这项技术的难点:离心机的转速要达到每分钟几万转到十几万转;要连续运行十年以上,中间不停机也不检修;工作介质是具有强腐蚀性的六氟化铀;不是一台而是一批离心机同时运转,必须具备很高的一致性;工业化过程还须经过不同装机规模的长时间试验考核。“这对离心机材料、结构设计、加工工艺、装配技术、试验技术等都提出了很苛刻的要求。”

经过几十年的艰苦努力,中核集团的科研人员自主创新、开拓进取,攻克了众多技术难关。形成了离心机的研发制造,以及整个铀浓缩离心工程的设计、建造和运行的完整产业体系。

兰州铀浓缩有限公司总经理朱纪告诉记者,现在上马了自家生产的铀浓缩离心设备,完全可以保障当前我国在运的17个反应堆的核燃料供应,也能满足到2020年五倍于现在核电规模的燃料需求。“我们要建世界一流的核燃料基地,为核能这一清洁能源的发展做出贡献。”他说。

雷增光透露,中核集团正在研制更先进、更经济的新一代离心机,目前在关键技术的研究上已取得重要进展。“新一代离心机将进一步提高我国在国际铀浓缩领域的地位和竞争力。”

背景资料:

中国今年实现铀浓缩离心机工业化应用

2013年3月,中核工业集团证实,中国自主研制的铀浓缩离心机在兰州成功实现工业化应用。这标志着中国具备了核燃料生产的自主化工业能力,完全掌握了离心法铀浓缩技术,对保障中国核电可持续发展具有重大战略意义。

铀浓缩离心机技术是核燃料生产的关键技术,是衡量国家核技术水平的重要标志。据介绍,曾经投入实际运行的铀浓缩方法主要有气体扩散法、气体离心法、电磁分离法和化学分离法四种,其中气体离心法的成本效益最好。离心机具有高真空、高转速、强腐蚀、高马赫数、长寿命、不可维修等特点,其研制涉及机械、电气、力学、材料学、空气动力学、流体力学、计算机应用等多种学科的理论和技术领域,技术难度很大。国际上从事离心机研制的国家有俄罗斯、西欧三国(德国、荷兰、英国)、美国、日本和巴西等十多个国家,真正实现工业化生产的只有西欧Urenco合资公司和俄罗斯Rosatom公司。

此外,铀浓缩离心机也有重要的军事潜力,前苏联研发铀浓缩离心机就是用于生产核武器。根据外媒的报道,中国采用气体扩散法生产的核材料约为15-20吨,而美国和前苏联在冷战期间各自生产了上千吨的浓缩核材料。美国认为,中国要扩大核武库的话就需要扩大核材料的生产能力,掌握铀浓缩离心机技术是其中的重要步骤。

什么是铀浓缩的气体离心法

众所周知,能够用于发电的核燃料的主要成分是铀的同位素:铀-235,核武器一般使用浓度在90%以上的铀,而核电站则使用浓度4%-6%的铀。而天然铀矿石中的铀-235含量极低,所以必须使用一定的方法提高铀-235的浓度,这个过程就是铀浓缩。

除了目前还在实验室中的几种新型铀浓缩方法,曾用于制造核武器的铀浓缩方法有四种,而用于为商业核电站提供燃料的铀浓缩方法则只有气体扩散法和气体离心法两种。其中,气体扩散法虽然产能很大,也是冷战时代几个强国制造核武器时的首选方法,但是其缺点是耗电量巨大,且分离效率较低。早期由于发电用的低浓度铀多为核武器生产过程中产生,所以其成本过高的问题可以忽略。但是在今天,商业化的核电站必须考虑降低成本的问题。于是,冷战期间苏联首先开发的气体离心法成为了核大国的主要铀浓缩方法。这种方法耗电只有气体扩散法的十分之一,也有一些试图跨过核门槛的第三世界国家采用这一方法。这些国家主要是通过向俄罗斯购买的较早期的离心机或走私关键部件来实现铀浓缩的。

气体离心法的主要难点在于离心机的制造,进入离心机的六氟化铀(UF6)气体温度高达2000摄氏度,离心机的内筒要在高度真空环境下高速运转,其线速度达到音速。而且离心机必须长时间连续工作,如果在工作期间停转就会前功尽弃,而且由于每个离心机单独生产的铀产量很小,一个铀浓缩设施一般会用几千到上万,甚至数万台离心机同时工作。这对于机械可靠性、材料技术等都提出了极高的要求,尤其是离心机的转子材料极其特殊,目前世界上还只有极少数国家可以独立研制。

前苏联为了大量生产核武器,在60年代率先完成了离心机的设计制造并且建设了规模宏大的铀浓缩工厂。到70-80年代,欧洲铀浓缩公司也完成了自己的离心机。美国由于可以与欧洲共享该技术,因此并未单独开发铀浓缩离心机,欧洲铀浓缩公司在美国建造的大型离心机单机每年可以生产200-600千克浓缩铀,而欧洲铀浓缩公司的小型浓缩铀离心机的产量只有3-30千克/ 年。


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