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人类核工业的发展历程及前景

作者:赵严欣
出处:论文网
时间:2014-11-22

人类核工业的发展历程及前景

  1896年天然放射性的发现,揭开了现代科学技术崭新的一页。20世纪中叶以来,核科学技术和核工业取得了迅速的发展,实现了从基础理论研究到应用技术研究,从军事利用到和平利用的重大转变。核技术已渗透到各个领域,它在经济建设、科学研究和社会生活中应用广泛,效益明显,是当代技术宝库中的重要组成部分。随着核技术的成熟,核工业的发展突飞猛进。核工业是从事核燃料研究、生产、加工,核能开发、利用,核武器研制、生产的工业。是军民结合型工业。主要产品有:核原料、核燃料、核动力装置、核武器(包括原子弹、氢弹和中子弹)、核电力,应用核技术等。核工业在国防中和国民经济中具有举足轻重的地位和作用。

  一、发展简史

  20世纪30年代,随着核物理的,核能的利用被提上日程。40年代初,美国为抢在德国之前制造出原子弹, 集中一大批欧美科学家和工程技术人员, 投入巨大的物力和资金,开始了核技术研究和创建核。1941年12月6日, 美国总统F.D.罗斯福批准了著名的原子弹研制计划——“曼哈顿工程”;这是一个由政府控制的庞大的融科学技术、军事和工业为一体的国防工程;它征调了全国最先进的技术设备和数千名科技人员, 投资达数十亿美元。1942年12月2日,由科学家E. 费米领导的研究小组指导,开始建立世界上第一座核反应堆;后来又陆续建立了三座生产钚-239的石墨水冷反应堆和一个提取钚-239的放射化学工厂,以及气体扩散和电磁分离铀厂。1945年,美国研制生产出原子弹,其中一颗于当年7月16日进行了试爆, 两颗于当年8月6日和9日分别投到了日本的广岛和长崎。第二次世界大战后,美国的核工业进一步发展, 除继续扩大易裂变物质的生产、大量进行核试验、制造核武器外,也将核能利用作为船舰的动力,建设核电站;1957年美国第一座核电站运行,至今已拥有核电站上百座。前苏联于20世纪30年代开始从事核能研究,1943年决定研制核武器;1948年第一座生产钚-239的反应堆投入运行;1949年8月进行了首次核试验;1952年第一座气体扩散工厂投产;1954年6月建成世界上第一座核电站, 至今已拥有核电站几十座。英国和法国在第二次世界大战后开始建立核工业,分别在1952年和1960年进行了首次核试验。

  核工业在国防中具有重要的地位和作用。核武器比常规武器有更大的杀伤力和破坏力,且造成放射性污染, 对环境生态有长期的、严重的后果。有鉴于此,核武器成了某些国家军事战略的基础,如美国的“遏制战略”、“大规模报复战略”、“威慑战略”等,都是以强大的核力量为后盾的;世界上许多国家也都很重视核技术和核工业的发展。毛泽东曾指出:“在今天的世界上,我们要不受人家欺负,就不能没有这个东西。”中国要打破帝国主义的核讹诈和核垄断,维护国家的安全,自立于世界民族之林,在国防上就不能没有完整的核工业。

  在国民经济发展中,核工业也具有极为重要的作用。核工业从早期为军用服务发展起来后,陆续转向为民用服务,如核能转换为电能 、热能、机械动力等。与有机燃料相比,核燃料具有异常高的热值,成品燃料的贮存和运输费用较少,因而在选择核电厂址时,不受燃料开采和加工地区的地理限制,从而适于在缺乏有机燃料和水能资源的地区提供能源,也适于用作持久航行的远洋船舰的动力。核电站在正常运行情况下释放的有害物质比火电站少得多,有利于环境保护。在一些国家和地区,核电已经能在经济上同火电具有同等重要的意义。由于煤炭、石油、天然气、水资源有限,而人类对能源的需求又在不断增长,因此, 核电已被公认为是一种重要的能源。大力发展核电已成为世界能源发展的总趋势。此外,核工业和核技术还向国民经济各部门提供多种放射性同位素产品、射线仪器仪表以及辐射技术,在辐射加工、食品保鲜、辐射育种、灭菌消毒、医疗诊断、跟踪探测、测量等科研生产方面发挥愈来愈大的作用。核科学技术的发展和核能的和平利用是20世纪人类最伟大的成就之一。经过半个多世纪的发展,核能技术已经渗透到能源、工业、农业、医疗、环保等各个领域,为提高各国人民的生活质量作出了重要贡献。核能技术的不断发展和进步,从利用裂变能到开发聚变能,寄托着人类对未来的期望,它将成为最终解决全球可持续发展的主要能源。

  世界核高科技产业发展起始于20世纪30年代到40年代初,那时,核物的一系列重大发现和发展开辟了人类利用核能的新纪元。美国的民用核计划起始于20世纪50年代。1953年12月8日,艾森豪威尔总统发表了“和平利用原子能”的演讲,正式宣告美国核工业开始向民用方面转移。1954年美国颁布了新的《原子能法》,以形式确定了核能的和平利用,此后美国开始利用军用核技术着手建造发电用的反应堆,1957年,美国第一座核电站——希平港压水堆核电站投入运行。此后一系列示范核电厂相继建成,60年代后期和70年代,美国核电工业迅速发展并商业化。美国核工业的第二次军转民高潮起始于90年代初。1990年,美国能源部长James D.Watkins要求美国的三个主要核武器实验室——洛斯?阿拉莫斯国家实验室、劳伦斯?利弗莫尔国家实验室和桑迪亚国家实验室把工作重点从军用转向民用。

  前苏联在研制成功核武器之后,也将核技术转向了核电领域。1954年,苏联利用石墨水冷生产堆的经验,在奥布宁斯克建成了世界上第一座核电站。此后,苏联就一直在开展有关大型的、具有经济效益的核电站建设的研制开发工作,并以较快速度建设了一批核电站。总的来说,前苏联设计建造的核电站运行一直比较稳定,而且负荷因子很高,特别是VVER-440型压水堆核电机组,多年来负荷因子一直位于世界前列。但是,切尔诺贝利事故暴露出了苏联核电站安全性上存在严重。尽管VVER型压水堆的安全性比切尔诺贝利的大功率管式铀石墨堆要好得多,但在核电站仪器仪表控制系统等方面,苏联要大大落后于西方核电先进国家。苏联解体后,大多数主要的核燃料循环设施和为核武器计划生产的大量储存的核材料都留在了俄罗斯。在核电发展的同时,核科学技术在其他民用领域也得到迅速发展。但是,核科学技术的本质特征是军民两用。由于核科学技术的综合性和敏感性,所有核技术一直是国际所关注和严格监管的领域。除了放射性同位素和辐射技术在工农医中外,其他核科学技术应用均和国防高科技产业紧密相关。

  1986年,国际原子能机构(IAEA)出版了安全丛书,首次提出了“安全文化”的概述,并在后续的安全丛书中对其做了进一步阐述。与此同时,各核电营运单位核安全文化建设也开始不断推进,但人们对核安全文化的认识还停留在态度和观念上,还未进一步深入到将态度、观念真正落实到人的行为中。002年,核电界经过激烈的辩论,进一步提出了核安全文化的定义:一个组织的价值观和行为,以领导为楷模,并内化为员工的行为,致力于使核安全处于最高优先的地位。定义第一次强调价值观和行为的统一,并重点强调全员的行为。这是核安全文化的进一步的新发展。  然而,随着国家核电发展不断提速,核安全文化建设的需求也不断突出,近期中国核电运行和建设过程中一些事件也凸显了以下的问题:  核安全文化的稀释。随着核电快速发展,对核专业人员需求量也越来越大。大量外部非核领域人员的加入,包括燃煤电厂员工、非核领域承包商、农民工等,稀释了核电企业原有的核安全文化。更有少数人提出核电运营“去核化”.

  二、核工业的重要性

  ①核工业能利用核能使之转变为电能、热能和机械动力,与有机燃料相比,核燃料具有异常高的热值,单位质量核燃料产生的热量为有机燃料的2.8兆倍。用它作为能源,成品燃料的保存和运输费用很少,因而在选择核电站厂址时不受燃料开采和加工地区的限制,适合于在缺乏有机燃料和水力资源的地区提供能源,也可作为持久航行的远洋船舰的动力。核电站在正常运行情况下释放的有害物质比火电站的少得多,有利于环境保护,是一种清洁的能源。核电技术已经成熟,在一些国家,核电已能在经济上同火电相竞争。由于煤炭和石油储量有限,能供开采利用的时间也是有限的,而利用水力发电,又受水利资源地域上的限制,因此,利用核能发电,已被公认为一种替代能源。到1985年底,在全世界26个国家和地区有374座核电站在运行,总装机容量为249754MW(兆瓦),约占世界电站总装机容量的15%左右。大力发展核能已成为世界能源发展的总趋势。但迄今广泛发展的热中子反应堆核电站,仅利用天然铀中含量约0.7%的铀-235.为满足今后较长时间的能源需求,必须发展快中子堆核电站。在这种反应堆中,能以工业规模将铀-238转换为人工的易裂变核素钚-239,使铀资源的利用提高约60倍。法国和苏联已成功地建造和运行了快中子反应堆核电站。预计到21世纪初,这种堆型将进入商用阶段。快中子反应堆核电站及其燃料循环系统将是核工业的重要组成部分。远期则是发展利用氘氚核聚变产生能量的核聚变堆。

  ②向国民经济各部门提供多种放射性同位素产品、同位素仪器仪表以及辐射技术等核技术,在辐射加工、食品保鲜、辐射育种、灭菌消毒、医疗诊断、示踪探测、分析测量和科技生产等方面发挥愈来愈大的作用。放射性同位素和核技术应用的投资少、见效快、收益大、能耗低、公害小,经济效益和社会效益显著。在国际上已迅速发展成为新兴的工业,广泛用于国民经济工、农、医、科技等各个领域。

  ③核工业的发展需要冶金、化工、机械制造、电子等工业的支持,从而也促进了它们的发展。核工业所要求的耐辐射、耐高温、抗腐蚀、超导体材料将开辟新材料的发展途径。核技术中的活化分析、示踪技术,提供了其他方法所不能解决的研究、分析手段。核工业的发展还促进许多新的科学领域,如辐射化学、放射化学、辐射剂量学、核医学、核电子学等的发展。核工业与国民经济各部门密切相关、相互促进。

  三、核技术的应用

  (1)核电

  核电是利用核燃料裂变反应释放的能量而产生的电力能源,核电产业则是围绕核能发电而形成的一系列经济活动,是关系到国民经济发展和国家经济安全的综合性很强的重要产业。因此,一个国家能否拥有自己的核电产业,是衡量一个国家综合国力的重要标志。同时,核电作为一种清洁安全的能源形式,是调整国家电源结构,实现经济和生态环境科学与协调发展、促进产业结构升级,以及在新形势下保持和提高国家核能力的基本保证。然而,核电产业所固有的缺陷,即公众安全性所引起的争议,使当前世界核电发展面临着困境。因此,如何积极有效并安全清洁地发展核电已成为理论界和世界各国关心的重要问题。同样,尚处于“幼稚期”的中国核电产业如何选择其发展道路,已经成为中国能源工业发展中急待解决的问题。

  (2)核燃料

  核工业是一个完整的循环经济体系。核燃料循环产业是核科技工业的重要组成部分,是我国战略核力量建设和核电事业发展的重要基础。包括铀矿地质勘查、铀矿采冶、铀转化、铀浓缩、核燃料元件加工制造、乏燃料后处理等环节。

  四、世界核工业发展趋势

  核工业是非常敏感和特殊的行业。军用核工业是大国军事战略的基石,是慑止战争、保卫国家安全的重要手段。同时,核工业既可服务于军,又可服务于民;研究发展需要投入巨大的人力和物力;行业发展需要有别于其他行业的特殊政策;涉及核安全、核不扩散、放射性废物管理、核设施退役等非常敏感的。鉴于这些特殊性,尤其是安全与扩散问题等,早在核高产业发展初期,就有许多国际组织来关注它的发展,如IAEA、OECD/NEA、IEA(世界能源组织)等,并且专门关注核工业某一特定领域的国际组织也陆续成立,如世界核运营者协会(WANO)等。冷战结束后,各国对军事战略进行了重大调整。但可以预见,在今后相当长的时期内,核威慑作为有核国家军事战略核心的地位不会轻易改变。

  核工业加强政府集中管理的趋势。鉴于核高科技产业在国家安全战略中的绝对重要地位,核大国和核门槛国家对核武器研制和核材料生产均采取政府集中管理的模式,即由政府一个独立的高层次的部门统一管理。美国于1947年成立原子能委员会,管辖曼哈顿工程及相关科研和生产部门。1973年,美国通过能源改组法,解散原子能委员会,成立能源部和核管理委员会。能源部接管了包括核材料生产、军事应用、反应堆发展等全部业务活动。到目前为止,美国军用核材料生产、核武器维护与研制、核试验等主要军用核工业职能全部由能源部负责。英国最初由军需部负责军用核工业发展。随后成立了原子能管理局接管核相关的政府管理职能。法国于1945年成立原子能委员会(CEA)。法国的军用核技术,从铀的获取到核武器试验全部由原子能委员会统管。CEA最初由政府首脑领导,1971年后改由工业和科学发展部领导。与军用密切相关的工厂和科研单位由CEA领导。前苏联最初由中型机械工业部负责与核材料生产相关的科研生产与核武器研制任务。目前,俄罗斯有原子能部对军民核工业实行统一集中领导。

  核工业发展军民两用技术、实行军民结合的趋势。核高科技产业起源于核武器研制。但是,在军用核高科技产业发展到一定阶段,核武器发展达到一定水平后,核大国都逐渐转向民用核工业建设,特别是军民两用技术的发展。“军民两用技术”是指既可以为军事目的又可以为民品生产所应用的技术。根据桑戈委员会的出口控制准则和触发清单,在核工业方面,两用技术定义为研制、生产或使用两用设备、材料和相关项目所要求的特定技术。研制,指生产前的有关设计研究和以及原型试验活动;生产,指生产过程(建造、制造、组装、检查、质保)中的活动;应用,指为项目配备的操作、诊断、维护系统以及它们的应用软件。核工业是一个拥有多学科多业种,综合性很强的高技术产业部门。按其产业结构,它包括核资源勘查技术、核矿冶技术、核燃料循环技术、核武器技术、核舰艇动力技术、核发电技术、同位素与辐射技术、核防护与核医学技术、核废物处理和处置技术等,而每一类技术都包含了许多核与非核高新技术,如电子与信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、环保技术等等。所有这些技术都可以军民两用。军民结合是指为了“平战”结合,把军民任务结合起来考虑核工业的发展。世界上没有固定的“军民结合”模式,各国均根据本国国情,采取不同的方式达到军民结合,使核工业不断地发展。

  当今世界已进入后核。虽然核军控和核裁军有了一定的进展,但核威慑在今后的几十年内仍将是有核国家和核门槛国家军事战略的基础。核威慑力量不仅直接表现为拥有一定核武器装备,而且也表现为具有一定的核研究和生产能力,其中包括核科技队伍。发展军民两用核技术,有利于保持和发展国家核能力,也是对实施核威慑战略的重要支撑。以发展核电作为保持核能力、确保核大国地位的趋势。发展核电和相关的核燃料循环技术,可以改善能源结构,减轻环境污染,并带动冶金、化工、电子、机械制造和电力等基础工业技术的发展与提高。核电反应堆技术同样也可以应用于军用材料生产堆、潜艇核动力和军用空间核动力。世界上所有核大国和存在发展核武器潜在需求的国家,无一不重视核电、核燃料循环技术的发展。核电站的设计、制造、建设和营运也要比制造核武器难度更大,要求更高。能进行核试验的国家,并不一定具有独立建立核电产业的能力;有了核电产业的国家,则大多具备进行核试验和制造核武器的能力。因此,核电产业与一个国家的核能力之间,有着十分密切的关系。更重要的是,由于和平时期各国都不可能通过大量生产核武器来锻炼和改进自己的核技术,核大国大多是在保持部分高素质的核武器研究开发力量的同时,通过大力发展核电产业,为充实和提高其核能力奠定基础。无核武器国家,也往往通过发展核电产业,向具备核能力的方向迈进,以此作为抗衡核大国的重要策略。

  今后核电发展的技术性能趋向是追求更好的安全性,不断改善核电的性,满足环境生态可持续发展的要求和资源利用可持续发展的要求,以及满足防核扩散的要求。今后核能技术发展的战略方向将从以下三方面发展:由燃烧型反应堆向增殖型反应堆发展;由一次通过燃料循环向闭合燃料循环发展;由基于热中子反应堆的有限规模核能向基于快中子反应堆和闭合燃料循环的大规模核能工业发展。

  结论:技术创新是核工业发展的灵魂,随着科技的进步,核工业的发展必将朝着安全,清洁,环保,高能的方向发展。核工业技术人才更加优化,知识水平更加完整,整体素质也将全面提高,这与产业发展相适应,促进核工业的发展。新的征程中,我们要以对国家和人民高度负责的态度,始终树立“安全第一、质量第一”的思想,确保核安全万无一失,真正做到让党和国家满意,让民众放心。

人类核工业的发展历程及前景

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