探秘中国核电燃料基地

就像普通火电厂发电依靠燃烧煤炭产生热量，核电站发电依靠的也是一种矿物质—天然铀。 不同于煤炭可以直接燃烧，天然铀必须需要经过铀开采、纯化和转化、再进行浓缩后，送往核燃料元件制造厂制成核燃料。每个环节都有专业公司进行。 从甘肃省兰州市区出发，往西约一小时车程后到达西固区，中核兰州铀浓缩公司（下称兰铀公司）坐落于此。在整个核燃料循环产业链中，兰铀公司负责铀浓缩工艺。 兰铀公司是中国最早建设的核燃料生产基地和核工业浓缩生产“摇篮”，背靠群山，面临黄河的地理位置为其形成了天然屏障。 兰铀公司原为中国核工业总公司五四厂，先后为中国第一颗原子弹、第一枚氢弹、第一艘核潜艇、第一座核电站提供了合格的核燃料，在中国核工业体系中占据举足轻重的地位。 依靠核燃料发生核裂变或核聚变反应产生能量进行发电，是核电站工作的原理。 目前已有的核电站都利用核裂变反应发电，通常以铀、钚作为核燃料，而中国、美国、法国等核电站以铀为主要核燃料。 铀是一种稀有的放射性金属元素，也是自然界中最重的金属元素之一，以3种同位素存在，分别为铀234、铀235和铀238，可从铀矿中直接提取。提取出来的铀矿物被称为天然铀，是生产浓缩铀的原料。 根据测算，1千克铀235放出的热量，相当于2700吨标准煤、200万立方米天然气产生的热量。 进行地质勘探和铀矿开采，是核燃料的最前端环节，其次是铀的纯化和转化。由于铀矿中有很多杂质和影响核反应的物质，必须提纯和精制，才能制作成天然铀产品，这一过程被称为铀的纯化。纯化过后的天然铀产品还必须经过转化，形成可以反应的形态，再进行铀的浓缩。 在众多环节中，铀浓缩被称为最为关键的一环。铀有3种同位素，但只有铀235才是真正能做核反应的核燃料。然而，铀235只占到天然铀质量的0.711%，其余大部分为铀238。 “像目前普遍采用的压水堆，铀235的浓度要浓缩到3%-5%。”兰铀公司党委书记姚新民向界面新闻记者介绍，必须通过铀同位素的分离，来提高铀同位素混合物中铀235的含量，这便是铀浓缩。 “如果浓度达到90%以上，就可作为核武器的燃料，这也是各国对铀浓缩技术当作核心机密的原因。” 同位素的分离极为困难，技术要求很高，主要有扩散法、离心法、激光法等方式，而离心法是目前全球采用最为普遍的方法。 利用离心法分离同位素实现铀浓缩，关键是离心机的制造。离心机产业化不能实现，即使拥有大量铀资源，因不能实现铀浓缩，也就无法生产出核燃料。 据兰铀公司介绍，中国是目前世界上少数完全掌握该技术的国家之一。 经过多年的技术攻关，中国完成了铀浓缩技术的升级换代，从扩散法升级到了离心法。 2013年6月21日，中核集团在兰铀公司宣布，中国核工业关键的铀浓缩技术完全实现自主化和工业化应用，表明中国具备了核燃料生产的自主化工业能力。 在兰铀公司进行铀浓缩后的铀产品，需要再送往核燃料元件制造厂制成核燃料芯块，就像是过去家家户户所用的煤球或者蜂窝煤。再将燃料芯块装载锆合金管中，封装成燃料棒。 如此，芯块裂变产生的物质就都能被包在燃料管中。 这还并未结束，还要将锆合金燃料管组合成一个高近4米的长方体燃料组件，才装入核反应堆内进行发电。 一座百万千瓦的核反应可以一次装入150多个燃料组件，总重量达几十吨。 在兰铀公司的铀浓缩主工艺厂房中，界面新闻记者看到，数十万台形似暖水瓶的离心机，整齐排列而成。从外部看并无特殊之处，但其里边则呈现高速旋转的状态，将铀235和铀238分离开来，之后进行富集浓缩。 离心机使得铀浓缩生产成本大大降低。据兰铀公司高级工程师张敏谦介绍，采用离心法进行铀浓缩，耗电量大概相当于此前扩散法的1/25，综合成本下降近一半。 目前，兰铀公司已经建成三期铀浓缩项目，正在建设的第四期项目也已进入安装调试。中国核电发展目标是，到2020年核电装机容量达到5800万千瓦。 张敏谦介绍称，中核集团的铀浓缩产能满足这一装机量不成问题，未来还计划打开国外市场，实现出口。