核電廠特種混凝土的施工技術(shù)

王開華（1. 南華大學，湖南 衡陽 421001；2. 中國核工業(yè)建設(shè)集團公司，北京 100037）

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核電廠特種混凝土的施工技術(shù)

王開華1，2
（1. 南華大學，湖南 衡陽 421001；2. 中國核工業(yè)建設(shè)集團公司，北京 100037）

摘要：核電廠的特種混凝土包括：重混凝土、蛇紋石混凝土、層狀、多孔排水混凝土和底板大體積混凝土等。這種特殊的混凝土可起承重、抗壓和屏蔽射線的作用。文章針對特種混凝土的特點、原材料的選擇、級配參數(shù)等事項做一研討，其目的是供未來建造核電站參考。

關(guān)鍵詞：核電廠；重混凝土；蛇紋石混凝土；多孔混凝土；底板混凝土

CLC number： TL37 Article character： A Article ID： 1674-1617（2016）01-0051-06

核電廠特種混凝土包括重混凝土、蛇紋石混凝土、層狀排水多孔混凝土、大體積底板混凝土等。

1 重混凝土

1.1 重混凝土的特點

重混凝土也稱屏蔽混凝土。核反應(yīng)堆所產(chǎn)生的射線有α、β、γ射線、中子及質(zhì)子流等，其中γ射線穿透能力強。γ射線盡管有很強的穿透能力，但密度大的物質(zhì)能屏蔽γ射線，如用于核電廠的重混凝土就可以屏蔽γ射線。

重混凝土雖然能屏蔽射線，防治核輻射，但骨料容重較大，易產(chǎn)生離析，使結(jié)構(gòu)中骨料分布不均勻，故在施工中要嚴格控制混凝土下灰自由高度，如澆注高度大于1 m時必須用溜槽或串桶，防止混凝土離析；另外重混凝土對模板所產(chǎn)生的側(cè)壓力比普通混凝土大，模板支設(shè)前要按重混凝土的容重進行計算配模，保證模板具有足夠的強度和剛度，還要嚴格控制振搗時間，防止過振使重骨料產(chǎn)生下沉，振搗時間一般15 s左右。重混凝土位于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的鋼筋密集處時難以振搗，故需配制坍落度較大的重混凝土，以適應(yīng)密集鋼筋處的混凝土澆注。

1.2 材料的選擇

重混凝土的骨料一般選取赤鐵礦或重晶石。經(jīng)實驗，用200 mm×200 mm×200 mm混凝土試件、48 h的表觀密度是：如選用赤鐵礦，則≥3 450 kg/m3；若選用重晶石，則≥3 500 kg/m3。水泥用量均在300～375 kg/m3，混凝土圓柱體28 d的抗壓強度≥35 MPa；屏蔽中子混凝土中規(guī)定了褐鐵礦砂和硬硼鈣石粉的量，要求水泥用量不大于375 kg/m3，坍落度不大于150 mm，無需強調(diào)混凝土強度指標。

1.3 選擇的配合比

1.3.1 重混凝土配合比的有關(guān)參數(shù)

重混凝土是屏蔽γ射線的，混凝土的密度越大、越密實，屏蔽的效果越好，因此在配合比設(shè)計時，首先考慮混凝土的表觀密度和密實度，其次再考慮強度和攪拌工藝。

最初由于對重晶石缺乏實踐經(jīng)驗，是通過容重法計算出配合比，找出外加劑的最佳摻量、確定水灰比和測出混凝土的表觀密度及空氣含量，然后通過絕對體積法進行計算修正，確定其基準配合比，基準配合比的表觀密度為3 710 kg/m3，其中水泥用量為350 kg/m3。在此基礎(chǔ)上，按照技術(shù)規(guī)格書的要求做配合比的初步試驗。

1.3.2 屏蔽中子混凝土配合比的有關(guān)參數(shù)

屏蔽中子混凝土填充在箱形的鋼梁內(nèi)起屏幕作用，不承載，所以不需要對強度指標提出要求，只要限定最低水泥用量，限定褐鐵礦、硬硼鈣石的用量和坍落度的最小值即可，所以在考慮配合比時主要是計算使高速中子速度降下來所需的含鐵量，和使中速中子降下來能捉住慢中子，而不形成第二次γ射線的硼和吸收慢速中子的氫的含量。在初步試驗中，采取350 kg/m3的水泥用量，又根據(jù)褐鐵礦吸水率大和施工要求自流平密實的特點，不但選擇了自流平混凝土化學外加劑，而且采用了先加部分水將骨料濕拌，使其吸足水，再加水泥、外加劑和余下部分水的攪拌工藝，充分發(fā)揮外加劑的作用。

1.4 重混凝土施工須注意的事項

重混凝土［1］一旦施工不好，達不到屏蔽作用，易造成泄漏污染。這不但威脅到整個核電站人員的生命安全，而且還波及周邊的生物安全，其損失是無法估量的。因此施工時首先要編制材料加工、包裝、運輸工作程序，材料進場檢驗與保管發(fā)放工作程序，混凝土生產(chǎn)和質(zhì)量檢測及運輸工作程序，混凝土澆注、振搗與養(yǎng)護工作程序。然后對參加施工的所有人員進行專門培訓，使其了解和熟悉重混凝土的特點和各種工作程序。在施工中不但精心組織，而且還加強了技術(shù)監(jiān)督。

2 蛇紋石混凝土

2.1 蛇紋石混凝土特點

蛇紋石混凝土也是屏蔽混凝土的一種，它容重大、化學結(jié)合水含量高，廣泛用于長期在高溫（最高達450 ℃）條件下工作的生物屏蔽結(jié)構(gòu)的抗輻射材料。它是一種將黏結(jié)材料（硅酸鹽水泥和水）和蛇紋石骨料（砂和碎石）的混合物硬化后得到的人工石料。

2.2 材料的選擇

蛇紋石混凝土的骨料中不能含有雜物，洗凈碎石中的粉塵、鹽分、黏土顆粒和游離石棉纖維含量不宜超過2%；黏土塊含量不宜超過0.25%。砂中游離石棉纖維的含量不宜超過0.5%。蛇紋石骨料中的成分SiO2不小于35.0%；結(jié)晶水含量不小于10.0%。蛇紋石骨料的比重不小于2.5 g/cm3；蛇紋石碎石的松散容重不小于1 460 kg/m3、緊密容重不小于1 670 kg/m3；蛇紋石砂的松散容重不小于1 280 kg/m3、緊密容重不小于1 560 kg/m3。

2.3 蛇紋石混凝土配合比及試驗情況

蛇紋石防護混凝土［3］配合比設(shè)計基本上和普通混凝土一樣，只是要優(yōu)先考慮容重和化學結(jié)晶水的含量要求。在初步配合比試驗階段，在滿足容重和化學結(jié)合水率的前提下，要根據(jù)現(xiàn)場施工要求和原材料情況試驗在反復試驗的基礎(chǔ)上確定施工配合比，以下是田灣核電站蛇紋石防護混凝土配合比的試驗情況（見表1）及碳化硼蛇紋石混凝土配合比（見表2）。

對表中配合比進行驗證試驗，在滿足坍落度40～60 mm條件下，該配合比混凝土實測容重為2 390 kg/m3，烘干后干容重為2 290 kg/m3。實測容重滿足不低于2 320 kg/m3。

表1 田灣核電站蛇紋石防護混凝土配合比的試驗情況Table 1 Composition of serpentine concrete for Tianwan NPP

表2 碳化硼蛇紋石混凝土配合比Table 2 Composition of boron carbide serpentine concrete

2.4 蛇紋石混凝土施工注意事項

2.4.1 攪拌

蛇紋石混凝土攪拌時必需根據(jù)已確定的配合比進行配料，采用現(xiàn)場自動化攪拌機組攪拌，坍落度控制在（8±2） cm。攪拌時間應(yīng)比普通混凝土時間延長。其投料順序及攪拌時間宜設(shè)置為：加骨料攪拌10 s→加水泥攪拌15 s→加1/3水攪拌30 s→加剩余水攪拌60 s→出料。計量精度：水泥和水為±1%，骨料為±2%。

加鑄鐵粒和碳化硼的蛇紋石混凝土，加料順序為：先加蛇紋石→鑄鐵粒和碳化硼攪拌2～5 min。

蛇紋石混凝土的運輸采用混凝土攪拌運輸車運輸。

2.4.2 澆注

根據(jù)施工工藝，蛇紋石混凝土入模溫度不低于15 ℃，蛇紋石混凝土澆注前，先將基面清理干凈。澆注混凝土時應(yīng)保證混凝土的均勻性并防止離析，混凝土自由下落高度不超過1 m。

蛇紋石混凝土應(yīng)分層澆注，每層最大厚度應(yīng)不超過150～200 mm，采用振搗棒振搗。

加鑄鐵粒和碳化硼的蛇紋石混凝土，是一種干拌料，施工時，用吊斗灌注到構(gòu)件的空腔內(nèi)，用鋼釬插搗均勻。

蛇紋石混凝土澆注之后，混凝土終凝后表面應(yīng)覆蓋一層保濕材料，每晝夜應(yīng)澆水三次養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于7 d。

3 層狀排水多孔混凝土

3.1 層狀排水多孔混凝土的特點

核電廠核島及一些重要廠房在基礎(chǔ)底板設(shè)計了多孔混凝土層狀排水系統(tǒng)，利用多孔混凝土的高滲透性能來減緩地下水對廠房基礎(chǔ)的壓力、以減小基礎(chǔ)滲水和漂移的可能性，能有效降低鋼筋混凝土基礎(chǔ)的厚度。

層狀排水系統(tǒng)主要由厚度超過300 mm的多孔混凝土層和其他附屬層組成。一般多孔混凝土強度等級為C10，強度為9.6 MPa，滲透系數(shù)不小于600 m/d。但數(shù)量大，1個核島的多孔混凝土量達2萬m3。對于如此量大、性能要求高的多孔混凝土，在國內(nèi)的工程應(yīng)用中實屬少見，其配合比設(shè)計、施工工藝都有相當大的難度。

3.2 原材料選擇

3.2.1 水泥

多孔混凝土是骨料顆粒與水泥膠結(jié)而成的多孔堆聚結(jié)構(gòu)。膠結(jié)料的活性、品種、數(shù)量是決定混凝土強度的關(guān)鍵因素，因此為了提高骨料顆粒與膠結(jié)料界面間的強度，宜采用強度高、活性大的硅酸鹽水泥。

3.2.2 骨料

骨料是多孔混凝土的結(jié)構(gòu)框架，為了提高與膠結(jié)料的粘結(jié)，宜使用碎石。骨料的粒徑大小決定著骨料間的孔隙率和所配制的多孔混凝土強度。骨料粒徑愈小，骨料間的孔隙率愈小，配制的多孔混凝土強度越高。骨料的強度、外觀尺寸、含泥量等指標都影響著多孔混凝土的性能。通過大量試驗數(shù)據(jù)分析，配制高強度的多孔混凝土，其碎石強度不宜低于60 MPa，針片狀顆粒含量不宜大于10%，含泥量不宜大于1%，泥塊含量不宜大于0.2%。

在骨料的選擇試驗中，通過對選用的10～20 mm、5～20 mm、5～16 mm和2.5～10 mm等幾種不同規(guī)格的碎石作多孔混凝土骨料的試驗結(jié)果分析，結(jié)果表明骨料粒徑較大時，多孔混凝土強度低、滲透系數(shù)大；骨料粒徑小時，多孔混凝土強度高、滲透系數(shù)降低。

結(jié)合工程技術(shù)要求（抗壓強度不低于10 MPa、滲透系數(shù)不小于600 m/d），層狀排水系統(tǒng)多孔混凝土宜選用最大粒徑不超過10 mm的細碎石。

3.3 混凝土配合比試驗

3.3.1 試驗用原材料

水泥：525水泥，各項指標均滿足國標規(guī)定。

碎石：2.5～10 mm（由2.5～5 mm和5～10 mm兩種碎石按一定比例混合而成）?；旌虾笃溽樒瑺铑w粒含量3.8%、含泥量0.8%、泥塊含量0。

3.3.2 施工配合比的確定

選擇各種水灰比進行拌合物試驗和混凝土性能試驗，以確定滿足技術(shù)要求的配合比。

由試驗結(jié)果可知，當骨料最大粒徑超過16 mm時，由于其孔隙率大，骨料比表面積小，所需水泥漿量少，多孔混凝土滲透性能好，但強度低，若僅靠增加水泥用量，其強度并沒有顯著增加且由于多孔混凝土內(nèi)部漿體過多而流淌在多孔混凝土底部，嚴重影響了多孔混凝土的滲透性能，因此，配制較高強度的多孔混凝土易選用最大粒徑不超過10 mm的細碎石；水灰比以水泥漿體剛好完全包裹住骨料且無多余漿體流淌為宜。

3.4 多孔混凝土施工注意事項

3.4.1 多孔混凝土的澆注

多孔混凝土施工工藝流程是攪拌、運輸、布料澆注、養(yǎng)護和清理。澆注時可利用溜槽使混凝土溜入澆注區(qū)域，也可用吊斗由塔吊吊至澆注區(qū)域，由于無砂多孔混凝土和易性差因而不能用混凝土泵輸送，將澆注區(qū)的混凝土用鐵鍬攤鋪，達到設(shè)計標高后用鐵鍬整平，再用木抹子抹平，在轉(zhuǎn)角處用插桿輕輕插搗?；炷翝沧?yīng)連續(xù)進行，如需停歇，停歇時間應(yīng)盡量縮短，并保證在混凝土初凝前澆注完畢，間歇時間超過初凝時間則應(yīng)按施工縫處理。多孔混凝土應(yīng)分層澆注，每層不超過30 cm，拌和物自由下落度在1 m以內(nèi)。

3.4.2 骨料粒徑與級配

當骨料偏粗時，由于多孔混凝土內(nèi)部孔隙較大，混凝土強度低；骨料偏細時，則又影響多孔混凝土滲透性。在水泥漿量一定時，骨料粒徑越小，混凝土強度越高，滲透性降低。

配制高強度、高滲透性能的多孔混凝土，其骨料粒徑不能過大，但小于2.5 mm的顆粒也不宜過多。經(jīng)過多次試驗分析，C10多孔混凝土宜采用2.5～10 mm碎石（可由2.5～5 mm和5～10 mm碎石按一定比例混合）。

3.4.3 多孔混凝土養(yǎng)護及其他

多孔混凝土采用覆蓋灑水養(yǎng)護，即表面覆蓋兩層麻袋片，灑水保溫，養(yǎng)護時避免養(yǎng)護水直接沖洗混凝土表面，混凝土澆注12 h 后，開始灑水養(yǎng)護，若是干熱天氣，8 h后即可養(yǎng)護，以避免過早失水，保持混凝土表面濕潤，多孔混凝土的灑水養(yǎng)護不少于7 d，根據(jù)氣候條件可適當調(diào)整。

多孔混凝土在質(zhì)量控制上有一定的要求：如無松動石塊及大的裂縫，基坑清潔無積水，浮土、淤泥、雜物等，水泥漿應(yīng)均勻包裹骨料，無離析沉積現(xiàn)象，澆注后混凝土無較大孔洞，不密實缺陷，混凝土運輸中應(yīng)防止由于過于顛簸引起水泥漿沉積，產(chǎn)生離析，混凝土自由落下高度不易過高，一般不應(yīng)超過1 m，混凝土表面應(yīng)抹壓平整。

另外，多孔混凝土滲透試驗，滲透系數(shù)不小于600 m/d，混凝土抗壓強度試驗，28 d抗壓強度應(yīng)滿足設(shè)計要求。

3.4.4 水泥用量和水灰比

多孔混凝土水泥用量偏高時，多余的漿體填充混凝土內(nèi)部孔隙，影響多孔混凝土滲透性；水泥用量偏低時，骨料表面與水泥石界面黏結(jié)強度低。試驗表明：在一定范圍內(nèi)，水泥用量越高，多孔混凝土強度越高，但滲透系數(shù)越小。

另外，水灰比高，漿體較多，漿體沿混凝土內(nèi)部孔隙向下流淌，影響混凝土滲透性；漿體過少，又不能完全包裹骨料表面，影響混凝土強度。一般用下列方法判斷多孔混凝土拌和物漿體的多少：將拌制好的多孔混凝土裝滿15 cm×15 cm×15 cm的金屬模具，在振動臺上振動5次后再讓其在30 cm高度自由下落，以水泥漿體沒向模底流淌為宜。

通常，多孔混凝土最佳水灰比在0.35～0.45。

4 核島底板大體積混凝土

4.1 核島底板混凝土的特點

核電站核島區(qū)是由反應(yīng)堆廠房、核燃料廠房、電氣&連接廠房和核輔助廠房等組成，各廠房的基礎(chǔ)是各自獨立的鋼筋混凝土整板，核島底板落于基巖上，故底板混凝土厚、面積大，稱為大體積混凝土。核電站核島區(qū)各廠房的基礎(chǔ)設(shè)計要求采用抗?jié)B混凝土，有防水和密封性能要求，且混凝土強度要求高，一般核電站核島底板強度等級為C45級混凝土，如果混凝土在凝結(jié)固化或使用過程中出現(xiàn)裂縫，這將會影響其整體性和密封性，進而影響廠房結(jié)構(gòu)的安全性能，會增加環(huán)境污染和影響設(shè)備安全運行的風險。因而在整板基礎(chǔ)的這種大體積混凝土施工中遇到的最大難題就是如何防止混凝土的各種裂縫的產(chǎn)生。故在施工中需強調(diào)以下事項：

1）選用低水化熱水泥，減少單方水泥用量，控制混凝土入模時溫度（盡量低于25 ℃）；

2）合理制訂施工方案，依據(jù)混凝土分塊的特征（形狀、大小和厚度）在不影響結(jié)構(gòu)強度和整體性的基礎(chǔ)上人為地進行分塊，利用工序的先后順序分塊施工，減小混凝土結(jié)構(gòu)自身的束縛力，便于混凝土溫度應(yīng)力的早期釋放；

3）做好混凝土施工縫的處理，保證振搗密實；

4）進行混凝土澆注后的溫升計算和應(yīng)力計算，根據(jù)計算模型制訂混凝土養(yǎng)護方案；

5）在混凝土中預(yù)埋測溫系統(tǒng)，監(jiān)測混凝土降溫速率，及時調(diào)整混凝土養(yǎng)護覆蓋物層數(shù)、厚度，防止混凝土內(nèi)外溫差超過25 ℃，預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。

4.2 原材料選擇

底板大體積混凝土的水泥可選用525號普通硅酸鹽水泥，要求3 d水化熱≤250 kJ/kg，7 d水化熱≤293 kJ/kg，砂、石含泥量分別小于3%和1%，石子最大粒徑為31.5 mm（混凝土泵送管道直徑為125 mm）；外加劑選用不含緩凝型高效減水劑，并通過添加粉煤灰，以降低水泥用量，改善混凝土的工作性能，混凝土配合比需經(jīng)過試驗室初步配制試驗和可行性試驗，證實能夠滿足規(guī)范要求后才能投入批量或規(guī)模生產(chǎn)。

4.3 核島底板混凝土施工工藝

4.3.1 制定合理的施工方案

為了便于混凝土澆注后的自由收縮和溫度應(yīng)力的釋放，確保底板的施工質(zhì)量和預(yù)防混凝土裂縫的出現(xiàn)，施工前根據(jù)各廠房基礎(chǔ)底板的特點，對各基礎(chǔ)采取分別分層分段進行施工。通常廠房的底板分成上下2層澆注，上下層錯開約1 m左右；反應(yīng)堆廠房底板則分了5層，同一層又劃分為多個澆注施工段，一般正中一施工段為圓形、四周為扇形環(huán)狀分塊。分層分段時充分考慮以下三點：

1）攪拌站的制冷能力及現(xiàn)場混凝土澆注能力，確定分塊的混凝土量，確?；炷寥肽囟取?0 ℃；

2）維持結(jié)構(gòu)的整體性，突出施工的方便性，盡量少留施工縫，上下、左右施工縫之間應(yīng)錯開并前后搭接，要將施工縫設(shè)在結(jié)構(gòu)受力較小處；

3）“留有間隙，跳倉施工”，讓大體積混凝土有一自由伸縮的空間，以利于混凝土凝固過程中前期溫度應(yīng)力的釋放。

4.3.2 混凝土澆注

混凝土入模溫度不得超過30 ℃，從混凝土出機到入模的中間運輸、停留時間累計不超過1.5 h；澆注時，布料設(shè)備下端的出料口距混凝土澆注面的距離（即混凝土的自由落高）不大于1.5 m；一般情況下，均采用水平分層澆注混凝土，分層厚度為50 cm；面積較大或混凝土一次澆注量較大時，應(yīng)事先提交專項計劃，合理配備勞動力，采用兩臺攪拌機同時攪拌、2～3套布料設(shè)備同時啟用，通常采用斜向推移法澆注混凝土，混凝土澆注面坡度應(yīng)為1∶4～1∶5，且混凝土振搗與布料方向均應(yīng)自下而上進行。任何情況下不宜采用從混凝土堆頂部攤開的方法。應(yīng)隨澆隨振搗，并在每層混凝土初凝前，蓋上新鮮混凝土，直到頂部標高。

澆灌混凝土前，基層應(yīng)再次清理，澆水濕潤，并用壓縮空氣進行吹掃將多余積水排走。開始澆灌時，首先采用0.5～1.0 m3與新澆注混凝土成分相同的水泥砂漿（配合比中除去石子），以潤滑混凝土泵送設(shè)備和管道，然后通過布料口將砂漿排放到垃圾斗中，待砂漿排盡、正?；炷帘贸鰰r才能進行布料。

4.3.3 施工縫處理

水平施工縫在混凝土初凝后，終凝前由高壓水槍產(chǎn)生的0.5 MPa以上的高壓氣水流沖洗，使其表面均勻地露出石子（5～8 mm）并及時清除沖洗的污水和水泥漿。

垂直施工縫采用800孔/m2細鐵絲網(wǎng)做模板，在混凝土初凝后、終凝前用壓力水沖刷鐵絲網(wǎng)面，在混凝土終凝后3～5 h即可拆除鐵絲網(wǎng)，并將松動的石子處理掉。

再次施工時應(yīng)將施工縫表面的松動的石子或浮漿清理干凈，并澆水濕潤至飽和。

4.3.4 混凝土養(yǎng)護

一旦混凝土終凝變硬，養(yǎng)護工作立即開始。養(yǎng)護時間應(yīng)符合設(shè)計和規(guī)范要求，持續(xù)地保持混凝土表面濕潤。對于一般結(jié)構(gòu)，在表面覆蓋一層麻袋片，灑水使其保持濕潤。對于水平結(jié)構(gòu)，還可以根據(jù)情況可在四周設(shè)置臨時圍堰，采取蓄水養(yǎng)護。此時應(yīng)特別注意，因水溫相對總是較低而混凝土早期內(nèi)部溫度很高，容易在混凝土表面部分形成很陡的溫度梯度，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，故若蓄水養(yǎng)護，一定要加強觀察并注意調(diào)節(jié)好蓄水高度。

4.3.5 混凝土內(nèi)部溫度測量和降溫速率控制

為了便于及時掌握混凝土的內(nèi)外溫度，控制內(nèi)外溫差不超過25 ℃，降溫速率小于2 ℃/d，在某些混凝土施工段中埋設(shè)了一些測溫點?；炷两K凝后開始測量其不同深度范圍的內(nèi)部溫度，并利用測溫結(jié)果，及時調(diào)整養(yǎng)護保溫措施，以防止溫度裂縫的產(chǎn)生。

參考文獻：

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Discussion on Special Concrete Construction Technique for Nuclear Power Plant

WANG Kai-hua1.2
（1. Nanhua University， Hengyang of Hunan Prov. 421001， China；2. China Nuclear Engineering and Construction Corporation，Beijing 100037， China）

Abstract：The special concrete of the nuclear power plant include： heavy concrete， serpentine concrete， layered concrete， porous drainage and floor mass concrete， etc. This kind of special concrete can withstand weight， resist pressure and radiation action. Here a discussion is carried out for the characteristics of the special concrete， selection of raw materials， and gradation parameters， with an aim to make reference for future nuclear power plant construction.

Key words：nuclear power plant； heavy concrete； serpentine concrete； porous concrete； floor concrete

中圖分類號：TL37

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1617（2016）01-0051-06

收稿日期：2015-10-16

作者簡介：王開華（1946—），男，安徽安慶人；研究員級高工，博士，現(xiàn)從事核電廠建造和鈾資源研發(fā)工作。