核能发电

概述/核能发电 编辑

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核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电，它是实现低碳发电的一种重要方式。国际原子能机构2011年1月公布的数据显示，全球正在运行的核电机组共442座，核电发电量约占全球发电总量的16%。拥有核电机组最多的国家依次为：美国、法国、日本和俄罗斯。

核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热，将水加 热成高温高压，核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），而所需要的燃料体积与火力电厂相比少很多。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%－4%，其余皆为无法产生核分裂的铀238。

热核聚变是正在研究中的一种核能发电形式，它是利用氢的同位素氘-氚或氘-氘在极高温下发生核聚变反应释放出巨大能量而发电的。通过核聚变释放巨大能量已为人类掌握，例如氢弹爆炸。但这种能量释放是在瞬间完成的，人类无法控制，自然不能用于发电。正在研究的是如何实现对热核聚变反应的人工控制。由于核聚变燃料的热值相当高，1千克氘相当于4千克铀-235，8600吨汽油或11000吨煤;加之这种核聚变燃料的储量远比其他核燃料多,所以，在人类面临能源短缺的情况,美、苏、日、德、英、法、中等国都投入相当大的力量从事聚变发电的研究。

举例而言，核电厂每年要用掉50吨的核燃料，只要2支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤，则需要515万吨，每天要用20吨的大卡车运705车才够。如果使用天然气，需要143万吨，相当于每天烧掉20万桶家用瓦斯。换算起来，刚好接近全台湾692万户的瓦斯用量。

简史/核能发电 编辑

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1954年，苏联建成世界上第一座装机容量为5兆瓦(电)的核电站。英、美等国也相继建成各种类型的核电站。

1960年,有5个国家建成20座核电站，装机容量1279兆瓦（电）。

1966年，由于核浓缩技术的发展，核能发电的成本已低于火力发电的成本。核能发电真正迈入实用阶段。

1978年全世界22个国家和地区正在运行的30兆瓦（电）以上的核电站反应堆已达200多座,总装机容量已达107776兆瓦（电）。

1980年代因化石能源短缺日益突出，核能发电的进展更快。

1991年，全世界近30个国家和地区建成的核电机组为423套，总容量为3.275亿千瓦，其发电量占全世界总发电量的约16％。

80年代才动工兴建核电站。中国自行设计建造的30万千瓦（电）秦山核电站在1991年底投入运行。大亚湾核电站正加紧施工。

原理/核能发电 编辑

核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。

要用反应堆产生核能,需要解决以下4个问题：

①为核裂变链式反应提供必要的条件，使之得以进行。

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②链式反应必须能由人通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电，还会酿成灾害。

③裂变反应产生的能量要能从反应堆中安全取出。

④裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大，必须设法避免它们对核电站工作人员和附近居民的伤害。

根据计算，以铀-235、钚-239、铀-233这些易裂变物质作核燃料时，每次裂变释放出的可利用能量大约都是200兆电了伏，每产生1兆瓦功率，铀-235的消耗率约为1.22克/天。1座百万千瓦级核电站年消耗铀-235约25吨。核能发电的核心装置是核反应堆。核反应堆按引起裂变的中子能量分为热中子反应堆和快中子反应堆。

快中子是指裂变反应释放的中子。热中子则是快中子慢化后的中子。大量运行的是热中子反应堆，其中需要慢化剂，通过它的原子核与快中子弹性碰撞将快中子慢化成热中子.热中子堆使用的材料主要是天然铀(铀-235含量3%)和稍加浓缩铀(铀-236含量3%左右)。根据慢化剂、冷堆剂和燃料不同，热中子反应堆分为轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆和石墨水冷堆。目前已运行的核电站以轻水堆居多，我国已选定压水堆作为第一代核电站。

核反应堆的起动、停堆和功率控制依靠控制棒，它由强吸收中子能力的材料(如硼、镉)做成。为保证核反应堆安全，停堆用的安全棒也是由强吸收中子材料做成。

自然资源/核能发电 编辑

自然界存在的可裂变元素只有铀-235，而它只占天然铀中的0.7％,其余均为铀-238。

但是，在核电站中可将一部分铀-238转变为钚-239；同样，也可以将自然界中大量存在的钍-232转变为可裂变的铀-233。

因此，估计核燃料资源时，必须考虑核燃料增殖这一因素。

这样，核燃料的储藏量远远超过化石燃料，能长期满足核能发电的需要。

核电安全/核能发电 编辑

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核能发电时存在大量放射性物质，需要特殊的防护设施。因此，核电站在设计、建造、运行时，要注意以下5个问题。

①实施纵深设防原则：

即在设计时就分三个层次进行安全设防：第一，通过设计逾度、质量管理、运行人员培训等措施提高可靠性，尽量减少事故。第二，设置安全系统，一旦事故发生，防止堆心损坏。第三，在发生概率极低的堆心损坏事故后，安全系统将尽量限制放射性物质向环境释放。

②设计基准事故(DBA)：

用于设计核电站工程安全设施的一些假设事故。不同类型的核电站其DBA不同。轻水堆的DBA包括：冷却剂丧失事故、弹棒事故、蒸汽管破裂事故等。它们中后果最严重的是失水事故。在压水堆中假设为主管道的双端断裂，也称为最大可信事故。

③概率安全评价(PSA)：

这是70年代后期发展起来的一种安全评价方法,核电站第一个完整的PSA报告是1975年美国正式发表的反应堆安全研究(WASH－1400)。该法分析轻水堆核电站中所有可能造成堆心损坏的事故，计算出各自发生的频率值,总和为一万七千堆年分之一;计算出核电站事故给公众带来的风险值。计算说明100座核电站的事故风险比人为的非核事故或自然灾害所造成的总风险约小1万倍。PSA一方面能给出风险值，使核电站安全有了定量化的描述，同时它系统地分析可能发生的各种故障模式，因而可给出事故的整体特性，成了安全研究方面的一个有力工具。

④制订应急计划：

预先规划和准备一旦核电站发生放射性泄漏事故时，为避免或减缓可能对电站工作人员和周围居民健康造成有害影响及其他放射性后果所采取的措施和行为。

⑤执行辐射防护三原则：

核能发电的辐射安全同样遵循国际上广泛采用的辐射防护三原则，即实践的正当性、辐射防护的最优化、个人所受的剂量当量不得超过国际辐射防护委员会对相应情况所建议的限值。

经济性/核能发电 编辑

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经济性以发电成本衡量。构成核能发电成本的因素很多，包括基建投资费用、安全防护费用、核燃料费用，以及核电站退役处理费用。核电发展初期，不仅基建投资费用昂贵，核燃料生产过程复杂，需要庞大的设备，加上特殊的安全措施需要，核能发电成本高于火电成本1倍以上。

到60年代,核能发电成本已接近火电成本。到80年代，核电的成本已低于火电。

据美国1984年统计,核电成本为2.7美分／千瓦时，而燃煤的发电成本为3.2美分／千瓦时，燃油发电成本为6.9美分／千瓦时。 

核电成本随各国经济发展水平、科学技术水平而异，以上所列均为核电发展水平较高的国家的数据。核能发电的成本虽然有了很大降低，但近年来发现核电站退役处理的费用远比早先预计的为高。因此，核电的总成本还应有所增加。

优缺点/核能发电 编辑

优点

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1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。

2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。 

3.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。 

4.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。

缺点

要用反应堆产生核能，需要解决以下10个问题：

1.为核裂变链式反应提供必要的条件，使之得以进行。

2.链式反应必须能由人通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电，还会酿成灾害。（如切尔诺贝利核电站和福岛核电站等等） 3.裂 变反应产生的能量要能从反应堆中安全取出。

4.裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大，必须设法避免它们对核电站工作人员和附近居民的伤害。

5.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。 

6.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。 

7.核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。 8.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。 

9.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。 

10.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。^[1]

发展趋势/核能发电 编辑

全球发展

核能是很多国家的主要电力来源。来自国际原子能机构的数据显示，到2007年1月，世界各地有435座动力堆在运行。在这些在役的反应堆中美国有103个、法国59个，日本55个、俄罗斯31个、英国19个，仅这5个国家就占全球在役反应堆的60%以上。一、全球核电稳步增长

2005年的发电容量总计净增230万千瓦，全年发电量占世界发电量的19.28%，并与全球电力市场稳定增长保持同步。另外，截至2007年3月，全球在建的核反应堆有30个，发电容量将达到24.251亿瓦，其中大多数在亚洲，共有16个（印度7个，中国5个，朝鲜、伊朗、日本和巴基斯坦各1个）。

2005年，至少有15个国家核能发电量占本国发电总量的30%以上，占15～30%的国家有6个，其中法国核电生产量在其电力生产量的份额接近80%。2005年全球并入电网的核电机组有4台，其中日本两台，印度和韩国各一台；同年，加拿大一台闲置的机组重新并入电网。

二、全球核电反应堆以轻水堆为主

核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。反应堆的类型繁多，有不同的分类标准，如按中子能量、冷却剂和慢化剂、堆芯结构，以及用途进行分类。其中，在核电工业中更多地是按照冷却剂和慢化剂分类进行分类。轻水堆、重水堆、石墨堆是工业上成熟的主要发电堆。轻水反应堆是目前技术最成熟、应用最广泛的堆型。其优点是体积小，结构和运行都比较简单，功率密度高，单堆功率大，造价也低廉。建造周期短和安全可靠。它的缺点是轻水吸引中子的几率比重水和石墨大，因此仅用天然铀（天然铀浓度非常小）无法维持链式反应，需要将天然铀浓缩，浓缩度在3%左右，称作低浓铀。采用轻水堆的国家，在核燃料供应上大多依赖美国和独联体。此外，轻水堆对天然铀的利用率低，仅为33%，如果系列地发展轻水堆要比系列地发展重水堆多用天然铀50%以上。全球正在运行的以及在建的核反应堆中，大部分是轻水反应堆，占所有反应堆的85%以上。

三、核电站退役问题得到高度重视

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到2007年3月初，在运行的435座反应堆中有100座的运行期已经超过30年。目前的两个基本退役方案是立即拆除和在拆除前长期安全封闭。截至2005年底，世界各地已有8座核电厂已经全部完成退役，17座核电厂已部分拆除并安全关闭，31座核电厂正在实施厂址最终解除监管之前的拆除，而30座核电厂正在进行长期封闭之前的最低程度拆除。而2006年间全球又有6个核电厂长期关闭。迄今，全球已经有119个反应堆关闭，与此相应的发电量为35.165亿瓦。在关闭的反应堆中，以压水堆、气冷堆等反应堆型为主。

四、核燃料铀价格持续上涨，但核资源不会成为制约核电开发的瓶颈

作为核能生产的主要燃料，天然铀的价格在上世纪80年代呈下降趋势，在90年代则起伏不定，但是自2001年开始，铀的价格持续上升，从2002年的25美元/kg上升到2005年的75美元/kg，5年间上涨三倍以上。铀价格的上涨一方面反映二次资源的耗竭，另一方面反映了核电原材料市场的供需现状。

燃料铀的需求主要取决于核电站的设备容量（核能发电量），同时核电站运行寿命的延长和热功率的增加、设备利用率、运行环境与燃耗、天然铀价格和浓缩劳务价格的差额也是重要因素。全球核电站设备容量将随着以中国为主的亚洲地区核电开发的进展，有增加的趋势。国际原子能机构（IEIA）和世界核协会（WNA）等机构根据对中、长期（2020年）核电设备容量的预测，对中、长期铀需求的预测是：73495～86070t(U)（IEAE对2020年的预测）和57700～102500tt(U)（WAN对2005年的预测）。

从燃料铀的供给方面来看，全球生产铀的国家约为21个，其中加拿大和澳大利亚的生产量几乎占全球的一半，而能够自己供给本国核电站需要的只有加拿大和南非。世界铀生产量（生产能力）从2003年的47260t(U)增加到2005年的51155t(U)。但是，由于现有的铀矿山枯竭而关闭以及铀市场前景不明，铀生产者控制新铀矿山的勘探与开发，预测到2010年，铀的产量将降至43059t(U)，2015年将上升到43612t(U)，2020年又将降到43005t(U)。另外，库存铀、俄罗斯解体核弹头的高浓铀、美国的军用剩余高浓铀、钚、回收铀、再浓缩铀等二次供给源的存在，也是对铀矿山、矿床等生产的铀形成价格上的压力。由此，进一步控制新铀矿山的勘探与开发，再结合核电开发增长的需求，从供需双方面逼迫铀市场价格上涨。

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然而，从铀资源的角度来看，IAEA按资源存在的准确度将铀资源区分为：确认资源（RAR）、推算追加资源Ⅰ（EAR-Ⅰ）、推算追加资源Ⅱ（EAR-Ⅱ）和期待资源（SR）。而且，按照回收（生产）成本，将生产成本低于40美元/kg（U）的铀资源称为“低成本铀资源”，将低于130美元/kg（U）的铀资源称为“经济的可回收铀资源”。

按照2003版REDBOOK，世界已知的铀资源（RAR＋EAR-Ⅰ）中，回收成本低于130美元/kg（U）的铀资源合计为458.9万t(U)；世界未发现的铀资源（EAR-Ⅱ＋SR）合计为974.4万t(U)。而基于回收成本低于130美元/kg（U）的已知铀资源，按燃料循环，从铀资源的可开采年限看（铀资源量/年度铀需要量），（1）以一次通过（直接处置）的轻水堆利用，为85年；（2）仅一次循环钚的轻水堆利用，为100年；（3）轻水堆与快堆（FBR）组合利用，为130年；（4）全部FBR利用，为2550年。再者，如果已知铀资源加上未发现的铀资源（EAR-Ⅱ＋SR），则有：（1）以一次通过的轻水堆利用，为270年；（2）一次循环钚的轻水堆利用，为300年；（3）轻水堆与快堆组合利用，为410年；（4）全部FBR利用，为8500年。因此，可以说铀资源在本世纪不会成为制约核能发电的瓶颈。

中国发展

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2008年中国将开工建设福建宁德、福清和广东阳江三个核电项目。

根据2020年中国GDP翻两番的发展目标估计，国内约需发电装机容量8亿~9亿千瓦，而已有装机容量仅为4亿千瓦。但在现有的发电结构中，单煤电就占了其中的74％。这也意味着若电力需求再翻一番，每年用煤就将超过16亿吨，而长距离的煤炭输送将加剧环境和运输压力。另外，在今年年初南方的冰灾中，光是因交通运输困难，电煤供应紧张，造成的缺煤停机超过3700万千瓦，19个省区拉闸限电。而如此大电煤消耗，二氧化硫和烟尘排放量每年分别新增500万吨和5326万吨以上。

1957年，人类开始建设核电站并利用核能发电，到现在，核电约占全世界电力的16%。

自1986年前苏联发生切尔诺贝利核电站核燃料泄漏事件以来，核电成了许多人心中的恶魔，中国也不例外。全球核电业就开始进入低潮。根据国际原子能机构的统计，2000年年底，全球正在运行的核动力堆共有438座，到了2003年3月，增加至441座，仅增3座。

2004年9月1日，中国国防科工委副主任、国家原子能机构主任张华祝在国务院新闻办新闻发布会上透露，中国政府对进一步推动核电发展作出了新的决策，将加快核能发展，逐步提高核能在能源供应总量中的比例。

中国已建成投产4个核电站，11台机组，装机842万千瓦。此外，全国已经开工建设的有22台机组。而从20世纪50年代以来，世界各国共建造了440多个核电站，发电量已占世界总发电量的16%。