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发信人: flaxs (蒙娜丽莎的微笑), 信区: Green
标  题: 核能简史(3) 
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jul 20 10:19:33 2001) , 转信

 铀矿开采方法
铀矿床的特点是矿体形态复杂，面积和厚度小，多数在压碎带、破碎带、剪切和强力裂隙
中赋存，造成开掘和支护复杂化。铀又与其他金属共生，形成复合矿，采矿时要考虑综合
利用。例如，我国铀矿采冶工作者，就开发了独具特色的煤型铀矿的采冶工艺及设备。铀
矿物和铀矿石具有放射性，在开采过程中必须要有预防氡气和放射性微尘的设备，保护工
作者的人身安全。

　　铀矿开采与其他金属矿的开采基本相同。大致可分为露天开采，地下开采和溶浸法三
种。近年来，我国也开始应用溶浸法开采铀矿。溶浸包括堆浸和地浸两种。它的原理是将
溶剂喷洒或注入到矿石中，有选择性地溶解矿石中的有用组分，再将溶液抽出处理。该法
也称化学采矿。
　　地浸采铀对铀矿种有特殊要求，以砂岩矿为好。 

　　　　　　　　　　铀　提　取

　　铀提取是将铀矿石加工成含铀75%-80%的化学浓缩物（重铀酸钠或重铀酸铵，俗称黄饼
）。这是核工业的重要环节，一般要经过配矿、破碎、焙烧、磨矿、浸出、纯化等工序。

　
　　针对不同矿石，采用酸法浸出或碱法浸出。这两种方法又各自分为不同的工艺流程。


　铀浸出后，不仅铀含量低，而且杂质种类多、含量高，必须去除才能达到核纯要求。这
一过程就是纯化。纯化的方法有四种：溶剂萃取法，离子交换法，离子交换与溶剂萃取联
合法，沉淀法。

　　　　　　核应堆用的燃料元件 

经过提纯或同位素分离后的铀，还不能直接用作核燃料，还要经过化学、物理、机械加工
等复杂而又严格的过程，制成形状和品质各异的元件，才能供各种反应堆作为燃料来使用
。这是保证反应堆安全运行的一个关键环节。一般来说，有多少种核反应堆，就有多少种
核燃料元件。按组分特征，可分为金属型、陶瓷型和弥散型三种；按几何形状分，有柱状
、棒状、环状、板状、条状、球状、棱柱状元件；按瓜堆分，有试验堆元件，生产堆元件
，动力堆元件（包括核电站用的核燃料组件）。
　　核燃料元件种类繁多，一般都由芯体和包壳组成。
　　核燃料元件在核反应堆中的工作状况十分恶劣，长期处于强辐射、高温、高流速甚至
高压的环境中，因此芯体要有优良的综合性能。对包壳材料还要求有较小的热中子吸收截
面（快堆除外），在使用寿期内，不能破损。因此，核燃料元件制造是一种高科技含量的
技术。
　　在克服了诸多的难关后，我国第一条核燃料生产线，于1965年6月在包头核燃料元件厂
建成投产，为生产堆提供了合格的核燃料元件。
　　90年代以来，我国为核电站研制并批量生产了具有国际水平的核燃料相件。
　


　　　　　　　　　　　　钚-239的生产 　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　钚-239（239Pu)裂变速度快，临界质量小，有些核性能比铀-235（235U）好，是核武
器重要的核装料。但是它的毒性大，生产成本高，要建造复杂的生产堆和后处理厂，才能
实现工业化生产。它是通过反应堆中产生的慢中子轰击铀-238人工生产的。

　　中子来源于用于天然铀作成的元件中的铀-235。铀-235裂变中子产额为2-3个，这些中
子经慢化后会再次引起铀-235裂变。维持这种裂变反应只需一个次级中子就够了，其余的
除被慢化剂等吸收掉的外，即可使天然铀的铀-238转化为钚-239了。所以，生产堆中的核
燃料元件，既是燃料，又是生产钚-239的原料。钚-239是从乏燃料元件中分离出来的。实
际上，生产堆的作用，就是烧掉一部分天然铀中的铀-235来换取钚-239，平均烧掉一个铀
-235原子，得到0.8个钚-239原子。


　　生产堆　 


　　主要用于生产易裂变材料或其他材料，或用来进行工业规模辐照。它包括产钚堆、产
氚堆和产钚产氚两用堆、同位素生产堆及大规模辐照堆。如果不是特别指明，通常是指产
钚堆。我国第一座生产堆建在酒泉原子能联合企业内，它是依靠我国自己的力量建设成功
的，1966年底该堆投入稳定运行。



　　　　　　　　钚-239的提取


　　天然铀制成的核燃料元件，在生产堆进行燃烧和辐照后，生成钚-239，但要把它分离
出来需送到专用的后处理厂来分离加工。不仅要把没有“烧”尽的铀分离出来再利用，还
要把钚-239同其他裂变产物分离开。
　　后处理方法分为湿法和干法两种。干法尚处于研究开发阶段，目前主要应用湿法。湿
法又分为沉淀法、溶剂萃取法，离子交换法三种。其中沉淀法已属陈旧，目前主要应用溶
剂萃取法，也称普雷克斯（Purex)流程。其基本原理是利用铀、钚以及裂变产物的不同价
态在有机溶剂中有不同的分离系数，将它们一一分开。
钚-239分离出来后，还需要纯化，去除微量杂质，才能作为核武器的装料。
　　我国依靠自己的科技力量，于60年代中期独立开发了萃取法工艺流程，并建成了中间
试验厂和大型后处理厂。　　生产堆的乏燃料经后处理，铀与钚进行分离后，铀-235还有
一定的含量，经纯化工序后，再经转换，为扩散厂提供原料。


　　　　　　　　　　　　　　　　　浓缩铀的生产


　　天然铀中主要包含两种铀同位素，即铀-238和铀-235，其中，铀-235只占天然铀的0.
714%，其他基本上为铀-238。用作核武器装料的浓缩铀，铀-235的含量必须占到90%以上。
为此，必须对铀同位素进行分离，使铀-235富集。分离后余下的尾料，即含铀-235约0.3%
的贫化铀可作为贫铀弹的材料等。
　　铀同位素分离的方法很多，其中有工业应用价值的主要有两种，即气体扩散法和离心
法。气体扩散法，一般耗电量大，生产成本高，有被离心法取代的趋势。
此外，还有激光法、喷嘴法、电磁分离法、化学分离法等。



　　气体扩散法
　　是利用热运动平衡时，两种质量不同的分子平均动能相同，而速度不同的特性，让铀
-235和铀-238六氟化铀气体，通过特别的多孔分离膜进行扩散。含铀-235的分子较轻，运
动速度快，通过分离膜的概率大，在一侧富集；而含铀-238的分子较重，运动速度慢，通
过分离膜的概率小，在膜的另一侧富集。一级分离，效果有限，工业生产中，必须使用串
联成几千个扩散级的级联装置，才能达到核武器装料所要求的富集度。
　　中国第一座气体扩散法浓缩铀厂，在克服了高真空（整个级联系统大体积真空）、氟
化处理、级联启动理论计算以及仪器配套等一系列的困难后，终于在1963年11月27日建成
投产。1964年1月14日生产出合格的高浓铀产品，为第一颗原子弹提供了核装料，结束了中
国不能生产高浓铀的历史。毛泽东和周恩来得到这一消息后，给予了高度赞扬。


离心机法
　　在高速旋转的离心机中，由于强离心力场的作用，使两种质量不同的同位素在离心机
不同区域内得到富集而达到分离的效果。工业化生产中，也要有庞大的级联。
　　随着核电站的迅速发展，对核燃料的需要量剧增，使离心法受到许多国家的重视。高
比强度新型材料的出现更起了促进作用。到70年代后期，离心法生产浓缩铀已趋成熟，在
经济上可与气体扩散法相竞争，成为工业规模生产浓缩铀的换代方法。
　　电磁分离法
　　从原理上讲，有多种方式可以利用电磁场对带电粒子的作用实现同位素分离。但至今
还只有基于磁场对离子作质量分离和方向聚焦的静磁法获得了实际应用，并于40年代初就
被用于铀同位素的工业规模生产。

激光分离法
　　基本原理：根据原子或分子在吸收光谱上的同位素位移，用特定波长的激光激发某种
同位素原子或含有该原子的分子，再通过物理或化学方法使处于激发态的该同位素原子或
分子与仍处于基态的另一种同位素分开，从而达到富集同位素的目的。激光法是激光技术
和核技术结合而产生的一种分离同位素的新方法，被认为是继扩散和法、离心法之后最有
希望发展成为一种新的工业生产浓缩铀的方法。由于该方法的分离系数很高，经一次分离
即可将天然铀富集到核电站堆用浓缩铀的丰度，故具有投资小、耗电少、成本低和生产规
模灵活等优点。


　　　　　　　　　　　氢弹用的热核装料及其生产
　　

　　热核装料，也就是热核材料，通常包括氘（D），氚（T）和锂-6（6Li)。D广泛地以重
水（D2O）的形式存在于天然水中。氚则是人工制备的放射性核素。氕、氘、氚是同一家族
（氢的同位素）。锂的同位素有两种，即锂-6和锂-7。天然锂中锂-6占7.5%，锂-7占92.5
%。在自然界中锂的分布较广，在地壳中的含量约占三万分之一，主要赋存在锂辉石和锂云
母中。
　　

　　氘、氚在常温下呈气体状态，不易贮存和使用。锂的化学性质活泼。因此，在使用时
，要做成较稳定的化合物。如氘化锂-6、氚化锂-6等。
　　重水的生产有三种方法，即化学交换法、蒸馏法和电解法重水可直接用在重水核瓜反
应堆中作慢化剂和冷却剂。也可进一步电解，把氘与氧分离，与锂-6化合成氘化锂-6，作
为热核武器的装料。
　　锂同位素分离有多种方法，如化学交换法、离子交换法、电迁移法、热护散法等。具
有实际生产意义的目前只有化学交换法。
　　产氚有多种方法，核反应堆辐照产氚目前应用较广，主要过程是：锂-6靶件制造、堆
内辐照、熔融提取、杂质净化和同位素分离等。利用加速器也可生产氚。
　　氚与锂-6经过化合工序，制成氚化锂-6，作为热核武器的装料。 






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