《人类科学技术史-422》原子能科学技术的发展（上）

第二次世界大战以后，军备竞赛的需要使美国、原苏联等国都大力发展原子能工业，并逐渐从军用转向民用。

1.原子能发电的产生和发展

1942年，美国建成了世界上第一座原子能反应堆。它的输出功率只有0.5瓦，但具有划时代意义。1952年，美国进行了利用原子能发电的最初尝试。

1954年，原苏联建成了世界上第一座核电站。它利用浓缩铀作燃料，采用石墨水冷堆，发电功率为5000千瓦。1956年，英国也建成了一座发电功率为35000千瓦，采用天然铀石墨气冷产钚反应堆技术。同年，美国建造了能够在水下高速航行的攻击型核潜艇。

50年代，各国对原子能的开发基本上是实验性的，主要是探索各种形式的反应堆。60年代以后，核电站进入实用阶段，各国主要集中研究发展轻水堆(包括压水堆、沸水堆）、重水堆、气冷堆和石墨水冷堆等堆型。

轻水堆是目前世界核电站的重要堆型，在核电站中占85％以上。轻水堆绝大部分是压水堆。从60年代初第一代压水堆到70年代初运行的第四代大型商用压水堆，其技术经济指标有了很大改进。压水堆单堆功率从小于20万千瓦提高到130万千瓦；发电效率从28％提高到33％；发电成本从5美分／度降低到0.4美分／度。

沸水堆的基本物理性能与压水堆相似。1956年，美国就建立了一座4500千瓦的沸水堆实验站。从1959年第一个电站德累斯顿1号运行以来，沸水堆经历了6代的不断改进。发电成本与压水堆不相上下，到70年代初也达到了大规模商业推广的阶段。但由于沸水堆缺点较多，因而在与压水堆的竞争中逐渐衰落。

重水堆是加拿大一开始就集中力量进行研究的堆型。1962年，建成世界第一座加压重水示范电站罗尔夫顿NPD-1。1967年，又在安大略省道格拉斯的建成电功率为20.8万千瓦、热功率70.1万千瓦的原型重水堆核电站。重水堆能有效地利用天然铀，转化比高，燃料烧得透，对燃料的适应性强。但早期的重水堆电站投资大，重水泄露严重。经过改进，于1971年建成了达到实用的匹克林电站。70年代，重水堆已达到技术成熟和商业推广的阶段。

石墨气冷堆是60年代英国和法国发展起来的，到60年代后期已发展到第三代高温气冷堆。1966年6月，英国与欧洲核能机构联合建造的"龙堆"满功率运行。该堆提供的数据证明了高温气冷堆在技术上的可能性。1967年，英国的"桃花谷"电站纳入电力系统运行。1968年，原联邦德国和美国分别开始建造高温气冷模式堆电站。美国33万千瓦的圣.弗仑堡堆1974年达到临界，但直到1981年末才达到设计功率。目前高温气冷堆虽然尚未达到商业化的成熟阶段，但它的一些突出特点仍具有很大吸引力。

天然铀石墨水冷堆是原苏联发展的堆型。1974年建成的100万千瓦的彼得堡(前名列宁格勒）核电站1号堆，是第三代。1985年，第四代240万千瓦电功率的石墨沸水堆开始研制。石墨沸水堆没有压力壳及蒸汽发生器，设备简单，单堆电功率大。由于不停堆装卸核燃料，设备利用率高。但这种堆型回路系统复杂，制造安装工作量大，经济性欠佳，其他国家很少采用。

10多年的迅速发展，核电站已成为一种新的强大的动力来源。从1974年起，各国核电站的发电成本普遍比火电站低20-50％。核电站最多的美国，仅1978年就因此节省了30亿美元。核电站的可利用率已同当代最新火电站相当，实际运行的负荷因子已高于火电站。

世界各国火电厂经历100多年才达到目前的运行水平，核电站只用20多年就达到了。这是热中子动力堆技术成熟的一个标志。

由于铀的储量有限，而目前热中子堆核电站对天然铀的利用率只能达到百分之几，所以要把废燃料元件中残余的核燃料充分利用起来，另外要把本来不是裂变原料的238铀和钍等资源转换成可裂变的239钚和233铀等人造核燃料。

美国、英国、法国和原苏联早就建成军用生产堆和动力堆的后处理工业体系，在建立民用动力堆后处理厂方面都有技术基础。英国和法国不但处理本国的动力堆燃料元件，而且还替别国处理。70年代以来，后处理技术不断改进，并可以从后处理厂的高效废水和废气中回收有用的裂变同位素和超铀元素。同时，人们一方面寻找新的天然铀资源，一方面采用先进的浓缩铀工艺。

海水中铀储量达四五十亿吨，目前已发展出一套海水提铀技术，即利用水合氧化钛做吸附剂，再用碳酸铵将所吸附的铀解析出来。随着加速器技术的进步，一些科学家还建议用直线加速器来生产核燃料。在铀的浓缩工艺方面，气体扩散法虽仍居主要地位，但正逐渐被淘汰。70年代初，用离心法生产浓缩铀的工厂已在欧洲建造。1977年，美国计划将在朴茨茅斯建造的第四座扩散厂改为离心厂。激光技术的进步，形成了用激光浓缩铀的新技术。采用特定波长的激光，有选择地激发235铀的原子或分子，然后用物理或化学方法将它与未受激发的238铀分离。激光法的生产成本比扩散法、离心法都低。美国已决定跳过离心法，集中力量在90年代实现激光法的商用，因此朴茨茅斯离心厂部分投产后又停了下来。法国等国也把激光法浓缩铀作为主要发展方向。

为了拓展核裂变材料的来源，许多国家都致力于发展转换和增殖技术。增殖堆分快中子增殖堆和热中子增殖堆。50年代初，美国和原苏联就开始研究增殖堆。英国、原联邦德国、日本等国也积极开展研究。进入70年代，各国投入大量人力、物力、财力集中研究的是钠冷快堆。钠冷快堆可以"燃烧"239钚，并能更多地将238铀转换成239钚，达到增殖核燃料的目的。钠冷快堆具有堆芯体积小、功率密度大以及热效率高等优点，而且还可以淡化海水。

70年代，原苏联、法国、英国各有一座钠冷原型快堆投入运行，积累了经验。

1980年初，美国钠冷实验快堆FFTF功率运行。原苏联第二座原型快堆BM-600已于1980年春建成，并正在设计商用规模的大型示范钠冷快堆BM-1600。法国、意大利、原联邦德国合资建造的"超凤凰"液金属快堆也于1980年投入商业运行。中国"863计划"已计划建造快中子实验堆。除了钠冷快堆，还有一种很有前景的气冷快堆现正处于探索阶段。

热中子增殖堆是美国独家发展的，用的是钍-铀循环。现在的主要堆型有熔盐堆和轻水增殖堆。熔盐堆可以随时去除毒物，随时提取233铀的中间产物233镤，保证增殖；不需要制造元件；燃料的后处理和堆结合；不需要输送和处理废元件。但熔盐堆的这些优点使得它技术难点集中。所以在1968-1969年，美国运行了一座热功率7000千瓦实验堆后，一直没有进一步发展。1975年，美国和日本准备共同投资10亿美元进行为期14年的熔盐堆研究。

轻水增殖堆也是美国独家发展的堆型。1977年，第一座轻水增殖堆开始满功率运行。但是它的成本太高，民用核动力无力负担。

40年来，核电站已显示出其独特的优势，至今发展势头不减。到1989年底，全世界共有452座核电站在运转，发电量占世界发电总量的17％。美国有110座核电反应堆，是世界核电站最多的国家。西欧一些国家核电所占的比重最大。1987年，法国已占69.4％，比利时占67％。中国自行设计制造的第一座核电站秦山核电站，装机总容量为30万千瓦，于1991年并网发电。在深圳大亚湾建设的装机容量2万千瓦的核电站，也在1992年和1993年并网发电。1989年，清华大学建成了一座5000千瓦低温供热堆，这是世界上第一座投入运行的具有固有安全性的壳式核供应堆。它可以代替烧煤供暖，效果很好，并减少污染。目前正在发展20万千瓦的示范堆。