中国不是铀矿丰富的国家。这是中国核发电发展不起来的原因,铀矿不等于铀235,中国铀235毁灭地球不可能,地球母亲太强大,毁灭人类还可以,但是用于发电中国用电量大是不够用的。中国清洁能源以水电风电为主和核电为辅,然而水电有一个总量问题,水电站是要选址,要淹没土地,风电功率变化大,容易弃风。
在核发电量方面美国发电量最多。铀矿主要澳大利亚和非洲进口。法国核发电量占比大。法国缺乏煤矿,主要在法国北部,历史上一战法北部煤矿被德国占,当时生产武器的钢用煤主要从英国进口。而且法国石油和天然气皆无。核电站需用铀矿从澳大利亚和非洲进口。而崇尚自力更生的中国因为中国铀矿产量低,不可能像煤炭发电一样大量发展。
(全球铀资源的分布极其有限,价格在每公斤40美元以下的铀基本上产自10个国家,其中澳大利亚储量为64.6万吨,占41%;加拿大为26.5万吨,占17%;哈萨克斯坦为23.2万吨,占15%;南非为11.8万吨,占8%,这4个国家就占了世界40美元一下易开采铀储藏量的80%以上。
截至1985年底,中国已探明的可靠铀储量可居世界9大产铀国(储量超过10万吨)之列。2015年我国铀矿消耗量为6 296 t,而全年我们国家铀矿总产量仅为1616t,对外依赖度超过70 %,供求矛盾突出。
据了解,中国共探明大小铀矿床(田)200多个,矿床以中小型为主,大型的、易开采的天然铀矿资源较少。全国铀矿主要分布在江西、广东、湖南、广西,以及新疆、辽宁、云南、河北、内蒙古、浙江、甘肃等省区。直到2012年,才在内蒙古发现了一个世界级的铀矿。
最新调查显示,地球已知常规天然铀储量,即开采成本低于每公斤130美元的铀矿储量仅有459万吨,仅可供全世界现有规模核电站使用六七十年。
从远期来说,中国铀矿资源储量可观,国际原子能机构(iaea)预测中国可能的铀储量为177万吨,是世界上铀资源潜力最大的国家之一。近期铀矿基本够了,但是,中期,即2015年至2025年间,随着大量核电项目建成投产,中国铀资源勘探开发的速度可能跟不上,中国到国外找铀的作用的战略意义就会显现出来,比如中国在纳米比亚找到一个巨大的铀矿)
在发电方面核弹不是用到核聚变就好,比如500公斤铀235,引爆500万吨爆炸当量的核弹,释放的热量才相当70多万吨的标煤完全燃烧释放热量,500公斤铀235在核裂变电厂,完全裂变可以释放125万标吨煤完全燃烧释放的热量。
核爆发电不是什么新鲜事,可是传统的方案是地下核爆发电站,氢弹小型化不成功,大型的氢弹核爆地下爆洞承受不了,核裂变小型化成功就是核地雷但是核地雷没意义,虽然实现了爆炸当量小型化,但是核裂变材料利用率低,铀235:15公斤才是临界质量。15公斤铀235完全裂变释放37500吨标煤的能量,核地雷当量200吨,才释放28.5吨标煤能量。核地雷发电是毫无意义的,小型原子弹也是同样的道理,核地雷在军事上的用途,会在防御战,中污染本土,而且埋雷一时爽,排雷麻烦死,比如中越边境战争期间中国为了抵御越南特工的攻击,埋下了大量地雷,在挑战不可能里面,我们才知道最后排掉的地雷是2018年,教训很大,核地雷比常规雷还有一个防盗问题,被恐怖分子拿到问题就大了。所以核地雷被淘汰了。
工程师要使核爆具有经济性必须满足两个条件:1.尽可能的提高核裂变利用效率。2提高核裂变剩下的铀233的回收率。和被中子击中铀238产生的钚239的回收率,假设核弹铀233的利用率20%,释放能量占比20%剩下的80%,是核聚变产生的能量,才可以和核裂变电厂100%核裂变打平,只有将没有核裂变的80%核裂变材料回收,才赚到了,要是把产生的钚239回收赚的更多,一个发电装置需要,入乃敷出,甚至具备替代性才有意义。(中国的国家超环入不敷出,所以目前只有实验意义)。
核聚变并不是什么难事,中学生也可以做,但是没有意义。因为入不敷出。能量消耗量远大于产生的能量。
英国中学生做的核聚变装置是由美国发明家菲洛·法恩斯沃思和罗泊特·赫舍发明的一种静电约束核聚变装置,是原理不同于托卡马克等磁约束的一种实验装置,主体是一个内部呈真空状态的大球,四面布置上电极,在里面有一个带高压静电的金属网格组成的小球,将氘离子导入其中,在静电的约束下,离子碰撞,发生聚变反应。
目前这种装置的输出功率远小于输入功率,所以还不能作为能源。
核聚变是指反应中,较轻的核相结合成为较重的原子核。几个这样的反应释放出能量,原则上可以得到充分利用,提供融合的动力。最低能量反应发生在混合中的氘和氚的离子时,必须有一个至少有4千电子伏(kiloelectronvolts),相当于约45万开尔文温度。在这样的温度下,燃料原子被电离,构成了等离子体。在实际融合电厂,发生聚变反应足够快。
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磁约束核聚变的必要条件接近加热等离子体的磁场。这在实践中已被证明是非常困难的。
据英国每日邮报报道,英国一位13岁学生成为全球最年轻的“核实验专家”,他在英国兰开夏郡中学实验室创建核聚变反应堆,使用高能量碰撞两个氢原子制造氦。
这类反应装置即合法又安全,没有使用铀或钚这类与核武器联系在一起的裂变物质,不产生污染和其他副作用,只产生热量。Suppes的这个装置使用氘气作为反应堆燃料,装置最终会创造出一个理想的聚变环境。
尽管Suppes这个装置中的所有组件,包括氘气都是通过合法渠道得到的,其中的一些还是有一点危险的。装置的电源提供了3万伏的电压,当发生聚变反应时会释放出可忽略的辐射。
之所以选择氘(氢的同位素,原子核中含有一个质子和一个中子),是因为它聚变成为氦的温度最低只有80万度,而像太阳那样以普通氢为原料的核聚变温度需要达到一千五百万度。
Suppes的这个装置输出功率小于输入功率,还不是科学家所希望的能带来清洁、廉价能量的装置。
简单讲下中学生的核聚变装置是冲入氘气,在高电压的作用下,有几个氘气原子,在概率和狗屎运的作用下,撞在一起聚变,释放出微不可查的能量,远低于维持高压所需的能量。该装置毫无工业上的意义。只是一个实验玩具。
核聚变不难,难的是能量输出大于能量输入。
同样生产武器级的铀235需要大量的电力,容易入不敷出。生产武器级铀需要高速离心机。
铀233容易跟钍分离,但是生产铀233要用到铀235,提高铀235的生产容易性,相当重要。
提纯浓缩铀-235含量的技术比较复杂,现时用来提纯铀-235的主要方法有气体扩散法离子交换法、气体离心法、蒸馏法、电解法、电磁法、电流法等,其中以气体扩散法最成熟。
气体扩散法——这是商业开发的第一个浓缩方法。该工艺依靠不同质量的铀同位素在转化为气态时运动速率的差异。在每一个气体扩散级,当高压六氟化铀气体透过在级联中顺序安装的多孔镍膜时,其铀-235轻分子气体比铀-238分子的气体更快地通过多孔膜壁。这种泵送过程耗电量很大。已通过膜管的气体随后被泵送到下一级,而留在膜管中的气体则返回到较低级进行再循环。在每一级中,铀-235/铀-238浓度比仅略有增加。浓缩到反应堆级的铀-235丰度需要1000级以上。
气体离心法——在这类工艺中,六氟化铀气体被压缩通过一系列高速旋转的圆筒,或离心机。铀-238同位素重分子气体比铀-235轻分子气体更容易在圆筒的近壁处得到富集。在近轴处富集的气体被导出,并输送到另一台离心机进一步分离。随着气体穿过一系列离心机,其铀-235同位素分子被逐渐富集。与气体扩散法相比,气体离心法所需的电能要小很多,因此该法已被大多数新浓缩厂所采用。
气体动力学分离法——所谓贝克尔技术是将六氟化铀气体与氢或氦的混合气体经过压缩高速通过一个喷嘴,然后穿过一个曲面,这样便形成了可以从铀-238中分离铀-235同位素的离心力。气体动力学分离法为实现浓缩比度所需的级联虽然比气体扩散法要少,但该法仍需要大量电能,因此一般被认为在经济上不具竞争力。在一个与贝克尔法明显不同的气体动力学工艺中,六氟化铀与氢的混合气体在一个固定壁离心机中的涡流板上进行离心旋转。浓缩流和贫化流分别从布置上有些类似于转筒式离心机的管式离心机的两端流出。南非一个能力为25万分离功单位的铀-235最高丰度为5%的工业规模的气体动力学分离厂已运行了近10年,但也由于耗电过大,而在1995年关闭。
激光浓缩法——激光浓缩技术包括3级工艺:激发、电离和分离。有2种技术能够实现这种浓缩,即“原子激光法”和“分子激光法”。原子激光法是将金属铀蒸发,然后以一定的波长应用激光束将铀-235原子激发到一个特定的激发态或电离态,但不能激发或电离铀-238原子。然后,电场对通向收集板的铀-235原子进行扫描。分子激光法也是依靠铀同位素在吸收光谱上存在的差异,并首先用红外线激光照射六氟化铀气体分子。铀-235原子吸收这种光谱,从而导致原子能态的提高。然后再利用紫外线激光器分解这些分子,并分离出铀-235。该法似乎有可能生产出非常纯的铀-235和铀-238,但总体生产率和复合率仍有待证明。在此应当指出的是,分子激光法只能用于浓缩六氟化铀,但不适于“净化”高燃耗金属钚,而既能浓缩金属铀也能浓缩金属钚的原子激光法原则上也能“净化”高燃耗金属钚。因此,分子激光法比原子激光法在防扩散方面会更有利一些。
同位素电磁分离法——同位素电磁分离浓缩工艺是基于带电原子在磁场作圆周运动时其质量不同的离子由于旋转半径不同而被分离的方法。通过形成低能离子的强电流束并使这些低能离子在穿过巨大的电磁体时所产生的磁场来实现同位素电磁分离。轻同位素由于其圆周运动的半径与重同位素不同而被分离出来。这是在20世纪40年代初期使用的一项老技术。正如伊拉克在20世纪80年代曾尝试的那样,该技术与当代电子学结合能够用于生产武器级材料。
化学分离法——这种浓缩形式开拓了这样的工艺,即这些同位素离子由于其质量不同,它们将以不同的速率穿过化学“膜”。有2种方法可以实现这种分离:一是由法国开发的溶剂萃取法,二是日本采用的离子交换法。法国的工艺是将萃取塔中2种不互溶的液体混和,由此产生类似于摇晃1瓶油水混合液的结果。日本的离子交换工艺则需要使用一种水溶液和一种精细粉状树脂来实现树脂对溶液的缓慢过滤。
等离子体分离法——在该法中,利用离子回旋共振原理有选择性地激发铀-235和铀-238离子中等离子体铀-235同位素的能量。当等离子体通过一个由密式分隔的平行板组成的收集器时,具有大轨道的铀-235离子会更多地沉积在平行板上,而其余的铀-235等离子体贫化离子则积聚在收集器的端板上。已知拥有实际的等离子体实验计划的国家只有美国和法国。美国已于1982年放弃了这项开发计划。法国虽然在1990年前后停止了有关项目,但它目前仍将该项目用于稳定同位素分离。
当然铀233燃料棒的技术成熟后就可以用铀233燃料棒来做增殖反应堆的核心,在这之前,铀235的提炼还是很重要的。纯粹的铀233不能做燃料棒,需要添加铀238,否则控制不住,铀235燃料棒一般铀235含量5%,要是武器级的铀235反倒控制不住。
所以考虑到发电效率,核弹里的铀233的裂变效率很重要,需要合适的构形,然而关于铀233构形问题,必须有详细的数据,中国超算中心提供的超级计算机才有用(没有相关的数据,算力再强也没用),所以中国军方的核工业总公司提出100次核爆的方案。
氢弹的爆炸威力巨大,核爆的爆洞会被扩大,产生裂缝,有污染地下水源的可能,影响罗布泊旅游业,罗布泊沙漠旅游公司,强烈反对,于是核工程师提出用铅保护层覆盖爆洞来降低裂缝的产生和核污染,木星公司表示可以回收污染的铅保护层。处理费要300亿,木星公司和罗布泊沙漠旅游公司都拿不出这笔钱,幸好国家表示财政部可以买单。
侯核总工程师技术团队,在获得100次核爆的数据,在超级的计算机的帮忙下,确定了合理的构形,铀233核弹项目成功。
在姚总工程师的主持下,核裂变物质回收工程成功。