浅论世界核工业现状发展趋势研究

　　俄罗斯最早的核武器研究机构是苏联科学院第二研究所(后来改为库尔恰托夫原子能研究所)，它是1943年4月12日苏联科学院决定成立的。

　　核高科技产业是从事核燃料研究、生产、加工, 核能开发、利用, 核武器研制、生产的军民结合型高科技产业，主要由放射性物质地质勘探、铀矿开采、水法冶金、铀精制加工、铀同位素分离、核燃料元件制造、各种类型的反应堆、辐照燃料和乏燃料后处理、人工易裂变材料钚(Pu)-239的生产、放射性废物的处理、锂同位素分离、放射性同位素生产、核武器制造和试验以及相应的科研、设计单位组成，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)、核电力和放射性同位素等。

　　20世纪30年代，随着核物理科学的发展，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工业。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。

　　我国的核工业是在新中国建立后创建和发展起来的。1950年成立了中国科学院近代物理研究所，开始从事核科学技术研究工作。1954年，中国地质工作者在广西发现了铀矿资源;毛泽东在听取汇报后指出，我们有丰富的矿物资源，我们国家也要发展原子能。1955年9月, 在薄一波主持下起草了《关于我国制定原子能事业计划的一些意见》，同年12月进一步修订成《关于一九五六年至一九六七年发展原子能事业计划大纲(草案)》，提出了创建中国核工业的设想。1956年11月16日，国家建立了第三机械工业部，在苏联援助下建设核工业。1958年，中国第一座重水型实验用反应堆和回旋加速器建成并投入运行。1960年，苏联政府撕毁协定，撤走专家。此后，中国自力更生, 奋发图强, 继续发展了核科学技术和核工业。1962年11月成立以周恩来为首的中央专门委员会，直接领导研制生产原子弹的工作。1964年10月16日，我国成功地爆炸了第一颗原子弹;1967年6月17日, 又成功地进行了第一颗氢弹爆炸试验;1971年9月，第一艘核潜艇试航成功, 表明中国的核工业已有较快的发展，建成了比较完整的核工业体系。70年代末，随着国家工作重点转向经济建设，核工业由主要为军用服务，转向军民结合，以核为主, 多种经营, 主要从事核能、核技术的和平利用, 民用产品的开发。1983年6月, 开始了中国自行设计的电功率为30万千瓦的秦山核电站的建设;1984年4月，引进技术设备开始建设大亚湾核电站。近年来，核工业继续贯彻“军民结合，以核为主，多种经营，搞活经济”的方针，得到了更快的发展。

　　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,核武器成了现代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、分析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，核物理学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》，以法律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问题。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政治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应用外，其他核科学技术应用均和国防高科技产业紧密相关。

　　一、 世界核工业发展现状

　　目前，世界正式承认拥有核武器的国家有美国、俄罗斯、英国、法国和中国;已经进行核试验，自己宣布进入核武器国家的有印度和巴基斯坦;国际认为具有核武器发展潜力的还有三十多个国家。

　　军用核材料(高浓铀、钚、氚和氘化锂)是制造核武器的关键材料。其生产能力及相关技术是核武器国家保持核威慑能力的重要组成部分，是国防实力的重要标志。目前，多数核武器国家的核材料库存大大超过需要，并早已停止生产(高浓铀、钚、锂)，但是由于氚的半衰期仅为12.3年，即每年要自然衰变掉5.5%，因此，美、俄、法都在继续生产氚或积极准备生产氚。

　　核电发展五十年来，从技术指标来看,一般可以分为三代，同时将目前正在进行概念设计，预计二、三十年后才能投入商业运行的核电站称为第四代。第一代核电站主要是五、六十年代开发的原型堆和试验堆。第二代核电站指七十年代至现在运行的大部分商业核电站基本堆型，它们大部分已实现标准化、系列化和批量建设，主要有压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)、重水堆(CANDU)和苏联设计的压水堆(VVER)和石墨水冷堆(RBMK)。第三代核电站一般指符合美国“用户要求文件(URD)”或“欧洲用户要求文件EUR”的先进核电反应堆。

　　三哩岛和切尔诺贝利核事故后，核电发展受到严重挫折。但是，由于石油、天然气资源贮量不断减少和环境保护日益受到世界各国关注，为了满足不断增长的电力需求，核能作为一种清洁能源，仍然受到重视。因此，10多年来世界各国一直没有放松对核电技术的发展，而是在多方面探索使核电摆脱缓慢发展状况从而为经济发展作出新的重大贡献的途径。这种探索既在发展快中子堆、高温气冷堆、裂变聚变混合堆、聚变堆等下一代堆型方面进行，也在大力改善压水堆、沸水堆、重水堆等现在广泛采用的堆型方面进行。开发先进核电站就是在这种形势下提出来的，这是消除公众对核电安全性、经济性、可靠性和核废物处理处置方面的疑虑，促进核电进一步发展的关键一步。

　　八十年代中期开始，美国电力研究所(EPRI)在美国能源部和核管会(NRC)的支持下，经多年努力，制定了一个能被供应商、投资方、业主、核安全管理当局、用户和公众各方面都能接受的，提高安全性和改善经济性的核电厂设计基础文件，即适用于先进轻水堆核电站设计的“用户要求文件(URD)”。随后，欧共体国家共同制定了类似的文件：“欧洲用户要求文件(EUR)”。现在，人们通常把符合URD或EUR要求的核电反应堆称作先进堆核电站或第三代核电站。

　　十多年来，世界各核电供应商都在按URD、EUR等的要求，在各自已经形成批量生产机型的基础上，做改进创新的开发研究。到目前为止，已经开发和正在开发的第三代核电动力堆型主要有：•GE公司的ABWR先进沸水堆;•ABB-CE公司的SYSTEM 80+先进压水堆;•西屋电气公司的AP600先进压水堆;•西屋电气公司的AP1000先进压水堆;•南非的球床模块式高温气冷堆PBMR;•法德联合设计的150万千瓦电功率大型欧洲压水堆EPR;•俄罗斯的VVER640(V-407型)和VVER1000(V-392型)先进压水堆;•日本和GE公司的先进简化沸水堆SBWR;•日本的21世纪NP-21先进压水堆;•加拿大原子能公司(AECL)的CANDU-9重水堆;•中国设计的60万千瓦非能动安全先进压水堆AC-600;•俄罗斯最近提出了发展150万千瓦的压水堆机型，四个环路，采用非能动的余热排出和垂直盘管式的蒸汽发生器;•韩国引进建造ABB-CE的系统80核电机组后，自主提出了大型非能动压水堆核电站CP-1300的概念，采用了西屋公司非能动安全系统的概念和ABB-CE的双环路设计;•印度从俄罗斯进口百万千瓦级压水堆核电机组的合同谈判已基本完成，待我国田湾核电站建成后付之实施。其机组以我国田湾核电站为参考，要加上非能动的余热排出系统;•俄、美、法、日联合开发的278兆瓦(热)、燃气轮机直接循环、模块式氦气冷却堆(GT-MHR);•阿根廷开发的25兆瓦(电)、一体化蒸汽发生器、热电联供、海水淡化小型反应堆(CAREM);•韩国开发的330兆瓦(热)多用途(包括海水淡化)、一体化蒸汽发生器、一体化模块先进堆(SMART)。这里提到的都是热中子、铀基燃料核能反应堆，不包括快堆、钍基燃料反应堆、聚变裂变混合堆和聚变堆等其它堆型。

　　2000年1日，由美国能源部发起组织阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、韩国、南非、英国和美国共9个国家的高级政府代表会议，讨论开发第4代核电的国际合作问题。会后发表了联合声明，对发展核电达成了十点共识。十点共识的基本思想是：世界特别是发展中国家，为社会发展和改善全球生态环境需要发展核电;第3代核电还需改进;核电需要提高经济性，安全性，减少废物，能防核扩散;核电技术要同核燃料循环统一考虑。2000年5月，由美国能源部再次发起组织了近百名国内外专家研讨第4代核电的发展目标，目的是研究第四代核电应具备的基本性能和特点，以便进一步研究确定第4代核电的设计概念，为第4代核电堆型的研究开发明确技术方向。通过并发表了研讨会纪要文件，提出了发展设想进度。2002年，第4代核电国际论坛(GIF)对第4代核电堆型的技术方向形成共识，在2030年以前将开发6种“新型发电”反应堆与燃料循环技术。即气冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、钠冷快堆、超临界水堆和极高温堆。

　　二、世界核工业分布与结构

　　美国核武器研究机构主要是能源部下属的3个核武器国家实验室，即：洛斯•阿拉莫斯国家实验室，劳伦斯•利弗莫尔国家实验室和圣地亚国家实验室。洛斯•阿拉莫斯国家实验室和劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的主要任务是：探索先进的武器概念;设计和制造核试验装置和核试验的诊断设备;研制核弹头或核炸弹，并监测它们在进入库存后的可靠性。圣地亚国家实验室的主要任务是：负责核武器的非核部件诸如引信、定时器、安全和控制装置以及降落伞的研究、发展和工程技术。洛斯•阿拉莫斯国家实验室创建于1943年，目前隶属于能源部国家安全核管理局(NNSA)下属的阿尔伯克基(Albuquerque)管理局，其业务管理者是加利福尼亚大学。1958年前美国的核武器都是洛斯•阿拉莫斯国家实验室设计的。以后又为国家设计了多种型号的核弹头，有：“三叉戟I”型潜地导弹核弹头W76/MK4，“民兵Ⅲ”型洲际弹道导弹核弹头W78/MK12A，巡航导弹核弹头W80-0和W80-1，“潘兴Ⅱ”型导弹核弹头W85和钻地导弹核弹头B61-11。劳伦斯•利弗莫尔国家实验室成立于1952年9月。劳伦斯•利弗莫尔国家实验室曾先后研制成功了“北极星”导弹核弹头(W47和W58)、“海神”导弹核弹头(W68)、“民兵Ⅱ”和“民兵Ⅲ”导弹核弹头(W56和W62)、B83现代战略炸弹、地面发射的巡航导弹核弹头(W84)、“和平卫士”/MX导弹核弹头(W87)等。该实验室还研究了减少剩余放射性(RRR)核武器和核爆激励的X射线激光器。该实验室隶属于NNSA下属的旧金山管理局，其业务管理者是加利福尼亚大学。圣地亚国家实验室，主要从事核武器非核部件的设计和研制工作。目前，圣地亚国家实验室隶属于NNSA下属的阿尔伯克基管理局，其业务管理自1993年10月1日开始归马丁•马里耶塔公司(Martin Marietta Corp.)，即今洛克希德•马丁(Lockheed Martin)公司管理。圣地亚国家实验室分成两个部分，一部分在阿尔伯克基，另一部分在利弗莫尔。除了3大核武器实验室外，美国主要还有5个核军工厂(场)，即：1.内华达试验场。美国1030次核试验中有904次在此进行。目前是次临界试验的主要场所，随时可以恢复地下核试验。2.萨凡纳河工厂。美国主要军用钚、氚生产厂。3.潘得克斯工厂。负责装配和拆卸核武器的工厂。4.堪萨斯城工厂。主要生产核武器中非核元部件。5.Y-12工厂。核武器零部件生产的综合性工厂。

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