1. 原子及原子核
世界上的一切物質(zhì)都是由帶正電的原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電的電子構(gòu)成的。原子核包括質(zhì)子和中子，質(zhì)子數(shù)決定了該原子屬于何種元素，原子的質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。如一個(gè)鈾-235原子是由原子核（由92個(gè)質(zhì)子和143個(gè)中子組成）和92個(gè)電子構(gòu)成的。如果把原子看作是我們生活的地球，那么原子核就相當(dāng)于一個(gè)乒乓球的大小。雖然原子核的體積很小，但在一定條件下它卻能釋放出驚人的能量。
2. 同位素
質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同或者說(shuō)原子序數(shù)相同而原子質(zhì)量數(shù)不同的一些原子被稱(chēng)為同位素，它們?cè)诨瘜W(xué)元素周期表上占據(jù)同一個(gè)位置。簡(jiǎn)單的說(shuō)同位素就是指某個(gè)元素的各種原子，它們具有相同的化學(xué)性質(zhì)。按質(zhì)量不同通?？梢苑譃橹赝凰睾洼p同位素。
3. 鈾的同位素
鈾是自然界中原子序數(shù)最大的元素。天然鈾的同位素主要是鈾-238和鈾-235，它們所占的比例分別為99.3%和0.7%。除此之外，自然界中還有微量的鈾-234。鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的2700000倍。
4. 核能及其獲取途徑
核能，是核裂變能的簡(jiǎn)稱(chēng)。50多年以前，科學(xué)家在第一次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鈾-235原子核在吸收一個(gè)中子以后能分裂，在放出2～3個(gè)中子的同時(shí)伴隨著一種巨大的能量，這種能量比化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量大的多，這就是我們今天所說(shuō)的核能。核能的獲得途徑主要有兩種，即重核裂變與輕核聚變。核聚變要比核裂變釋放出更多的能量。例如相同數(shù)量的氘和鈾-235分別進(jìn)行聚變和裂變，前者所釋放的能量約為后者的三倍多。被人們所熟悉的原子彈、核電站、核反應(yīng)堆等等都利用了核裂變的原理。只是實(shí)現(xiàn)核聚變的條件要求的較高，即需要使氫核處于幾千萬(wàn)度以上的高溫才能使相當(dāng)?shù)暮司哂袆?dòng)能實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)。
5. 重核裂變
重核裂變是指一個(gè)重原子核，分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等原子量的原子核，引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而釋放出巨大的能量。例如，當(dāng)用一個(gè)中子轟擊U-235的原子核時(shí)，它就會(huì)分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)產(chǎn)生2～3個(gè)中子和β、γ等射線(xiàn)，并釋放出約200 MeV的能量。 如果再有一個(gè)新產(chǎn)生的中子去轟擊另一個(gè)鈾-235原子核，便引起新的裂變，以此類(lèi)推，裂變反應(yīng)不斷地持續(xù)下去，從而形成了裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，與此同時(shí)，核能也連續(xù)不斷地釋放出來(lái)。
6. 輕核聚變
所謂輕核聚變是指在高溫下(幾百萬(wàn)度以上)重氫核(氘核)與超重氫核(氘核)結(jié)合成氦放出大量能量的過(guò)程，也稱(chēng)熱核反應(yīng)。它是取得核能的重要途徑之一。由于原子核間有很強(qiáng)的靜電排斥力，因此在一般的溫度和壓力下，很難發(fā)生聚變反應(yīng)。而在太陽(yáng)等恒星內(nèi)部，壓力和溫度都極高，所以就使得輕核有了足夠的動(dòng)能克服靜電斥力而發(fā)生持續(xù)的聚變。自持的核聚變反應(yīng)必須在極高的壓力和溫度下進(jìn)行，故稱(chēng)為“熱核聚變反應(yīng)”。
氫彈是利用氘、氚原子核的聚變反應(yīng)瞬間釋放巨大能量這一原理制成的，但它釋放能量有著不可控性，所以有時(shí)造成了極大的殺傷破壞作用。目前正在研制的“受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置”也是應(yīng)用了輕核聚變?cè)?，由于這種熱核反應(yīng)是人工控制的，因此可用作能源。
7. 一種新能源—核電站
目前化石燃料在能源消耗中所占的比重仍處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但此種能源不僅燃燒利用率低，而且污染環(huán)境，它燃燒所釋放出來(lái)的二氧化碳等有害氣體容易造成 “溫室效應(yīng)“，使地球氣溫逐年升高，造成氣候異常，加速土地沙漠化過(guò)程，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重影響。與火電廠(chǎng)相比，核電站是非常清潔的能源，不排放這些有害物質(zhì)也不會(huì)造成“溫室效應(yīng)”，因此能大大改善環(huán)境質(zhì)量，保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的生態(tài)環(huán)境。
世界上核電國(guó)家的多年統(tǒng)計(jì)資料表明，雖然核電站的投資高于燃煤電廠(chǎng)，但是，由于核燃料成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于燃煤成本，相反核燃料反應(yīng)所釋放的能量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化石燃料燃燒所釋放出來(lái)的能量，而且核燃料取之不皆，這就使得目前核電站的總發(fā)電成本低于燒煤電廠(chǎng)。
8. 核能是可持續(xù)發(fā)展的能源
據(jù)估計(jì)，在世界上核裂變的主要燃料鈾和釷的儲(chǔ)量分別約為490萬(wàn)噸和275萬(wàn)噸。這些裂變?nèi)剂献憧梢杂玫骄圩兡軙r(shí)代。輕核聚變的燃料是氘和鋰，1升海水能提取30毫克氘，在聚變反應(yīng)中能產(chǎn)生約等于300升汽油的能量，即“1升海水約等于300升汽油”，地球上海水中有40多萬(wàn)億噸氘，足夠人類(lèi)使用百億年。地球上的鋰儲(chǔ)量有2000多億噸，鋰可用來(lái)制造氚，足夠人類(lèi)在聚變能時(shí)代使用。況且以目前世界能源消費(fèi)的水平來(lái)計(jì)算，地球上能夠用于核聚變的氘和氚的數(shù)量，可供人類(lèi)使用上千億年。因此，有關(guān)能源專(zhuān)家認(rèn)為，如果解決了核聚變技術(shù)，那么人類(lèi)將能從根本上解決能源問(wèn)題。
1. 核工業(yè)的主要業(yè)務(wù)范圍
核工業(yè)的主要業(yè)務(wù)范圍包括：鈾礦勘探、鈾礦開(kāi)采與鈾的提取、燃料元件制造、鈾同位素分離、反應(yīng)堆發(fā)電、乏燃料后處理、同位素應(yīng)用以及與核工業(yè)相關(guān)的建筑安裝、儀器儀表、設(shè)備制造與加工、安全防護(hù)及環(huán)境保護(hù)。
2. 核燃料循環(huán)及其組成
核燃料循環(huán)是指核燃料的獲得、使用、處理、回收利用的全過(guò)程。它是核工業(yè)體系中的重要組成部分。核燃料循環(huán)通常分為前端和后端兩部分，前端包括鈾礦勘探、鈾礦開(kāi)采、礦石加工（包括選礦、浸出、提取和沉淀等工序）、精制、轉(zhuǎn)化、濃縮、元件制造等；后端包括對(duì)反應(yīng)堆輻照以后的乏燃料元件進(jìn)行鈾钚分離的后處理以及對(duì)放射性廢物進(jìn)行處理、貯存和處置。
3. 鈾礦地質(zhì)勘探
鈾是核工業(yè)最基本的原料。鈾礦地質(zhì)勘探的目的是查明和研究鈾礦床形成的地質(zhì)條件，總結(jié)出鈾礦床在時(shí)間上和空間上的分布規(guī)律，并用此規(guī)律指導(dǎo)普查勘探，探明地下的鈾礦資源。普查勘探工作的程序?yàn)閰^(qū)域地質(zhì)調(diào)查、普查和詳查、揭露評(píng)價(jià)、勘探等，同時(shí)還要求工作人員進(jìn)行地形測(cè)量、地質(zhì)填圖、原始資料編錄等-系列的基礎(chǔ)地質(zhì)工作。
分散在地殼中的鈾元素在各種地質(zhì)作用下不斷集中，最終形成了鈾礦物的堆積物，即鈾礦床。了解鈾礦床的形成過(guò)程，對(duì)鈾礦普查勘探具有十分重要的指導(dǎo)意義。并不是所有的鈾礦床都有開(kāi)采、進(jìn)行工業(yè)利用價(jià)值的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已發(fā)現(xiàn)的170多種鈾礦床及含鈾礦物中，具有實(shí)際開(kāi)采價(jià)值只有14～18%。影響鈾礦床工業(yè)的兩個(gè)主要因素是礦石品位和礦床儲(chǔ)量。此外，評(píng)價(jià)的因素還有礦石技術(shù)加工性能、礦床開(kāi)采條件，有用元素綜合利用的可能性和交通運(yùn)輸條件等。
4. 鈾礦開(kāi)采
生產(chǎn)鈾的第一步是鈾礦開(kāi)采。其任務(wù)是從地下礦床中開(kāi)采出工業(yè)品位的鈾礦石，或?qū)⑩櫧?jīng)化學(xué)溶浸，生產(chǎn)出液體鈾化合物。由于鈾礦有放射性，所以鈾礦開(kāi)采其特殊方法。常用的主要有三種：露天開(kāi)采、地下開(kāi)采和原地浸出。露天開(kāi)采一般用于埋藏較淺的礦體，方法剝離表土和覆蓋巖石，使礦石出露，然后進(jìn)行采礦。地下開(kāi)采一般用于埋藏較深的礦體，此種方法的工藝過(guò)程比較復(fù)雜。與以上兩種法方法相比，原地浸出采鈾具有生產(chǎn)成本低，勞動(dòng)強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用有一定的局限性，僅適用于具有一定地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的礦床。其方法是通過(guò)地表鉆孔將化學(xué)反應(yīng)劑注入礦帶，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)選擇性地溶解礦石中的有用成分-鈾，并將浸出液提取出地表，而不使礦石繞圍巖產(chǎn)生位移。
5. 鈾礦石的加工
鈾礦石加工的目的是將開(kāi)采出來(lái)的具有工業(yè)品位或經(jīng)放射性選礦的礦加工富集，使其成為含鈾較高的中間產(chǎn)品，即通常所說(shuō)的鈾化學(xué)濃縮物。將此種鈾化學(xué)濃縮物精制，進(jìn)一步加工成易于氫氟化的鈾氧化物作為下一步工序的原料。
鈾礦石加工的主要步驟包括：礦石品位、磨礦、礦石浸出、母液分離、溶液純化、沉淀等工序。
為了便于浸出，礦石被開(kāi)采出來(lái)后，必須將其破碎磨細(xì)，使鈾礦物充分暴露。然后采用一定的工藝，借助一些化學(xué)試劑（即浸出劑）或其它手段將礦石中有價(jià)值的組分選擇性地溶解出來(lái)。浸出方法有兩種：酸法和堿法。由于浸出液中鈾含量低，而且雜質(zhì)種類(lèi)多，含量高，所以必須將雜質(zhì)去除才能確保鈾的純度。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，可以選擇以下兩種方法:離子交換法（又稱(chēng)吸附法）和溶劑萃取法。水冶生產(chǎn)的最后一道工序是將沉淀物洗滌、壓濾、干燥，然后得到水冶產(chǎn)品鈾化學(xué)濃縮物，又稱(chēng)黃餅。
6. 鈾的濃縮
為了提高鈾-235濃度所進(jìn)行的鈾同位素的分離處理稱(chēng)為濃縮。通過(guò)濃縮可以為某些反應(yīng)堆提供鈾-235濃度符合要求的鈾燃料,現(xiàn)今所采用的濃縮方法有氣體擴(kuò)散法、分離法、激光法、噴嘴法、電磁分離法、化學(xué)分離法等，其中氣體擴(kuò)散法和離心分離法是現(xiàn)代工業(yè)上普遍采用的濃縮方法。濃縮處理是以六氟化鈾形式進(jìn)行的。
7. 核燃料元件
經(jīng)過(guò)提純或濃縮的鈾，還不能直接用作核燃料。必須經(jīng)過(guò)化學(xué)、物理、機(jī)械加工等處理后，制成各種不同形狀和品質(zhì)的元件，才能供反應(yīng)堆作為燃料來(lái)使用。核燃料元件種類(lèi)繁多，按組分特征來(lái)分，可分為金屬型、陶瓷型和彌散型；按幾何形狀來(lái)分，有柱狀、棒狀、環(huán)狀、板狀、條狀、球狀、棱柱狀元件；按反應(yīng)堆來(lái)分，可以分為試驗(yàn)堆元件，生產(chǎn)堆元件，動(dòng)力堆元件（包括核電站用的核燃料組件）。
核燃料元件一般都是由芯體和包殼組成的。由于它長(zhǎng)期在強(qiáng)輻射、高溫、高流速甚至高壓的環(huán)境下工作，所以對(duì)芯片的綜合性能、包殼材料的結(jié)構(gòu)和使用壽命都有很高的要求?？梢?jiàn)，核燃料元件制造是一種高科技含量的技術(shù)。
8. 乏燃料的后處理
經(jīng)過(guò)輻照的燃料元件，從堆內(nèi)卸出時(shí)總是含有一定量未分裂和新生的裂變?nèi)剂稀７θ剂系暮筇幚淼哪康木褪腔厥者@些裂變?nèi)剂先玮?235，鈾-233和钚，利用它們?cè)僦圃煨碌娜剂显蛴米龊宋淦餮b料。此外，回收轉(zhuǎn)換原料（鈾-238，銫-137，鍶-90），提取處理所生成的超鈾元素以及可用作射線(xiàn)源的某些放射性裂變產(chǎn)物（如銫-137，鍶-90等），都有很大的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但此項(xiàng)工序放射性強(qiáng)，毒性大，容易發(fā)生臨界事故，所以，在進(jìn)行乏燃料的后處理時(shí)一定要加強(qiáng)安全防護(hù)措施。
后處理工藝一般分為四個(gè)步驟：冷卻與首端處理、化學(xué)分離、通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化還原出鈾和钚、通過(guò)凈化分別制成金屬鈾（或二氧化鈾）及钚（或二氧化钚）。冷卻與首端處理是冷卻將乏燃料組件解體，即脫除元件包殼，溶解燃料芯塊?；瘜W(xué)分離（即凈化與去污過(guò)程）是將裂變產(chǎn)物從Ｕ-Pu中清除出去，然后用溶劑淬取法將鈾-钚分離并分別以硝酸鈾酰和硝酸钚溶液形式提取出來(lái)。
9. 三廢處理與處置
在核工業(yè)生產(chǎn)和科研過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一些不同程度放射性的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的廢物，簡(jiǎn)稱(chēng)為“三廢”。在這些廢物中，放射性物質(zhì)的含量雖然很低，危害卻很大。普通的外界條件（如物理、化學(xué)、生物方法）對(duì)放射性物質(zhì)基本上不會(huì)起作用。因此在放射性廢物處理過(guò)程中，除了靠放射性物質(zhì)的衰變使其放射性衰減外，就只能采取多級(jí)凈化、去污、壓縮減容、焚燒、固化等措施將放射性物質(zhì)從廢物中分離出來(lái)，使?jié)饧派湫晕镔|(zhì)的廢物體積盡量減小，并改變其存在的狀態(tài)，以達(dá)安全處置的目的。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“三廢處理與處置”。
