铀利用率是否已做到提升60倍?

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  有报道——“2011年度中国重大技术进展”其中的一项是“2.1 核能技术取得突破——铀利用率提升60倍”:
  “中国核工业集团公司研究人员经过24年的研究,经过反复实验,在核研究上取得重大技术突破:突破了全套技术体系,研发了动力堆/乏燃料/后处理技术,实现了核动力堆中燃烧后的核燃料的铀、钚材料回收。如果能将钚在动力堆上实现循环利用,将意味着在现有核电规模下,中国已经探明的铀资料从大约只能使用50-70年,变成足够能用上3000年,将使得中国成为世界上极少数几个能够形成核燃料循环利用的国家。”
  “核电站发电,是通过核燃料在核反应堆中发生裂变反应,放出能量。在当今核电技术条件下,核燃料一般燃烧3%-4%就不能维持额定功率。快中子反应堆属于全球第四代核能系统技术的应用,与目前运行及正在建设的第二、第三代核电站相比,形成的核燃料闭合式循环可使铀资源的利用率提高至60%以上(现有核电站只有1%,也就是提升了60倍)。”
  从上述报导:可看出这一重大技术有两项“突破”:⑴突破“全套”技术体系;⑵已突破的“全套”技术中,有一套是“研发了动力堆/乏燃料/后处理技术,突现了铀、钚材料回收”。——这“意味着在现有核电规模下,中国已经探明的铀资源以大约只能使用50-70年,变成了足够使用3000年”。
  很遗憾!这一“推选”相当大地“夸大”了中国核工业集团所取得成就!
  如果这一快中子增殖反应堆技术的“突破”,确实能将“铀资源从只能使用50-70年,变成了足够使用3000年”,那么这一技术突破的“全套”,应包括“三方面”内容。
  ⑴所掌握快中子“增殖”堆发电技术,不仅能发电,还要有较高的钚239的“增殖比”,一般公认是1.6。很抱歉,未见正式公布已实现的增殖比是多少!但目前中国研发中的氧化物快中子堆,其理论上的增殖比,最多不会超过1.2。
  ⑵所掌握的“动力堆/乏燃料/后处理技术”,应有较高的钚239回收率。很遗憾,也未见正式公布钚239的“收率”是多少。据所知,现在“掌握”是较为落后的技术。很可能,这一回收率仅约为≤0.8。
  ⑶在“全套”技术中,还缺少了重要的一“套”。如何将提炼出的钚239,铀238,进一步制成可用于快堆的MOX燃料。一个关键数据是,从提炼出的钚239,铀238,制成MOX燃料的“成功率”是多少?已知情况是:未见其宣布成功,更不知成功率是多少!
  如果确实实现快中子发电装置的核燃料的“增殖”,真正做到“铀资源利用率扩大60倍”,就必须有增殖比·回收率·成功率≥1。
  现在已知的数据是,
  (增殖比≤1.2)·(回收率≤0.8)·(成功必定小于100%)<<0.96。
  这并不是什么技术秘密!我国正在研发中的快中子增殖发电技术,其实是“做不到”实现“核燃料闭式循环”的“增殖”的。
  《中国能源中长期(2030、2050)发展战略研究,核能卷》的第221页,在建议未来将实施的“重大工程”中,已明确写上,“2035年前后建成第一个接近增殖的快中子堆核能系统,实现快中子堆核燃料循环闭合和核燃料的接近增殖。”——请注意:所谓接近增殖,也就是不能增殖。但这一被“推选”出的“重大技术进展”说,“将使得中国成为世界上极少数几个能够形成核燃料循环利用的国家”?!
  因为现在需要消除社会公众因此产生的错觉,所以就撰写了这篇短文。
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  铀
  铀是致密而有延展性的银白色放射性金属。铀在接近绝对零度时有超导性,有延展性。铀的化学性质活泼,能和所有的非金属作用,能与多种金属形成合金。空气中易氧化,生成一层发暗的氧化膜,能与酸作用,与U-234、U-235、U-238混合体存在于铀矿中。少量存在于独居石等稀土矿石中。铀最初只用做玻璃着色或陶瓷釉料,1938年发现铀核裂变后,开始成为主要的核原料。
  铀通常被人们认为是一种稀有金属,尽管铀在地壳中的含量很高,比汞、铋、银要多得多,但由于提取铀的难度较大,所以它注定了要比汞这些元素发现的晚得多。尽管铀在地壳中分布广泛,但是只有沥青铀矿和钾钒铀矿两种常见的矿床。
  地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5,即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀,这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。铀在各种岩石中的含量很不均匀。例如在花岗岩中的含量就要高些,平均每吨含3.5克铀。依此推算,一立方公里的花岗岩就会含有约一万吨铀。海水中铀的浓度相当低,每吨海水平均只含3.3毫克铀,但由于海水总量极大,且从水中提取有其方便之处,所以目前不少国家,特别是那些缺少铀矿资源的国家,正在探索海水提铀的方法。
  由于铀的化学性质很活泼,所以自然界不存在游离的金属铀,它总是以化合状态存在着。已知的铀矿物有一百七十多种,但具有工业开采价值的铀矿只有二三十种,其中最重要的有沥青铀矿(主要成分为八氧化三铀))、品质铀矿(二氧化铀)、铀石和铀黑等。很多的铀矿物都呈黄色、绿色或黄绿色。有些铀矿物在紫外线下能发出强烈的荧光。正是铀矿物(铀化合物)这种发荧光的特性,才导致了放射性现象的发现。
  铀及其一系列衰变子体的放射性是存在铀的最好标志。人的肉眼虽然看不见放射性,但是借助于专门的仪器却可以方便地把它探测出来。因此,铀矿资源的普查和勘探几乎都利用了铀具有放射性这一特点:若发现某个地区岩石、土壤、水、甚至植物。
  铀提取工艺
  铀提取工艺的基本任务是将开采出来的矿厂加工富集成含铀是较高的中间产品,通常称为铀化学浓缩物,经过进一步强化,加工成铀氧化物作为下一步工序的原料。
  常规的铀提取工艺一段包括,矿石品位、磨矿、矿石浸出,母液分离、溶液纯化、沉淀等工序。
  矿厂开采出来后,经过破碎磨细,使铀矿物充分暴露,以便于浸出,然后在一定的工艺条件下,借助一些化学试剂(即浸出剂)与其它手段将矿厂中有价值的组分选择性地溶解出来。有两种浸出方法,即酸法和碱法。
  浸出液中,不仅铀含量低,而且杂质种类多,含量高,必须将这些杂质去除才能达到核电要求。这一步溶液纯化过程,有两种方法可供选择,离子交换法(又称吸附法)和溶剂萃取法。沉淀出铀化学浓缩物的工艺过程是水冶生产的最后一道工序。沉淀物经洗涤、压滤、干燥后即得到水冶产品铀化学浓缩物,又称黄饼。
  主要用途
  在居里夫妇发现镭以后,由于镭具有治疗癌症的特殊功效,镭的需要量不断增加,因此许多国家开始从沥青铀矿中提炼镭,而提炼过镭的含铀矿渣就堆在一边,成了“废料”。然而,铀核裂变现象发现后,铀变成了最重要的元素之一。这些“废料”也就成了“宝贝”。从此,铀的开采工业大大地发展起来,并迅速地建立起了独立完整的原子能工业体系。
  浓缩铀技术
  纯度为3%的U-235为核电站发电用低浓缩铀,U-235纯度大于80%的铀为高浓缩铀,其中纯度大于90%的称为武器级高浓缩铀,主要用于制造核武器。获得铀是非常复杂的系列工艺,要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程,而浓缩分离是其中最后的流程,需要很高的科技水平。获得1公斤武器级U-235需要200吨铀矿石。由于涉及核武器问题,铀浓缩技术是国际社会严禁扩散的敏感技术。目前除了几个核大国之外,日本、德国、印度、巴基斯坦、阿根廷等国家都掌握了铀浓缩技术。
  提炼浓缩铀方法主要有气体扩散法和气体离心法。
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