核能是一種高度密集的優(yōu)質(zhì)能源，但作為發(fā)電的核能卻不容易釋放。美國擁有世界上最多的核電站，其核電反應(yīng)堆占世界的四分之一。立陶宛和法國擁有世界上最高的核電比例，核能發(fā)電量占全國總發(fā)電量的75%以上。那么核能發(fā)電原理是什么？核能發(fā)電的發(fā)展前景如何？



一、核能發(fā)電簡介

自20世紀(jì)40年代出現(xiàn)原子彈以來，核能逐漸被人們所掌握。準(zhǔn)確地說，"原子能 "應(yīng)該是化學(xué)能，例如通過燃燒煤、石油或天然氣得到的就是 "原子能"，因?yàn)檫@種能量是可燃物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量?；瘜W(xué)反應(yīng)過程只是將一種或幾種物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)改變?yōu)榉磻?yīng)中另一種或幾種物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，即從一種或幾種物質(zhì)變成另一種或幾種新物質(zhì)，不涉及原子的變化。核能是核反應(yīng)所釋放的能量，它將原來的核結(jié)構(gòu)從一個(gè)核變?yōu)榱硪粋€(gè)新的核變，即從一個(gè)元素變?yōu)榱硪粋€(gè)元素或同位素。核能發(fā)電利用這些同位素的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的熱量，將水加熱成高溫高壓，驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電。

二、核能發(fā)電原理

核能發(fā)電的核心裝置是核反應(yīng)堆。核反應(yīng)堆按引起裂變的中子能量分為熱中子反應(yīng)堆和快中子反應(yīng)堆。核反應(yīng)堆的起動(dòng)、停堆和功率控制依靠控制棒，它由強(qiáng)吸收中子能力的材料(如硼、鎘)做成。為保證核反應(yīng)堆安全，停堆用的安全棒也是由強(qiáng)吸收中子材料做成。

1、核裂變發(fā)電

核裂變發(fā)電是將原子核裂變所釋放的核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。核電站中的反?yīng)堆種類很多 ， 目前技術(shù)比較成熟且投入商業(yè)運(yùn)行使用的一般有如下幾種 ：壓水堆、沸水堆、重水堆和其它堆 ，主力堆型是壓水反應(yīng)堆。壓水堆核電站主要由原子核反應(yīng)堆、一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)與設(shè)備組成。一回路系統(tǒng)也稱為核島 ，是將裂變轉(zhuǎn)化為水蒸汽的熱能裝置。反應(yīng)堆所產(chǎn)生核能， 使堆芯發(fā)熱溫度升高 ，高溫、高壓的冷卻水在主泵驅(qū)動(dòng)下流進(jìn)堆芯 ，將堆芯中的熱量帶至蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器再把熱量傳遞給二回路循環(huán)系統(tǒng)中的給水，使給水加熱成為高壓蒸汽， 放熱后的冷卻水又重新流回堆芯。這樣循環(huán)往復(fù)構(gòu)成一個(gè)密閉的循環(huán)回路。為了確保安全， 將整個(gè)一回路循環(huán)系統(tǒng)主設(shè)備集中安裝在安全殼內(nèi)。

二回路循環(huán)系統(tǒng)亦稱常規(guī)島 ， 由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、凝汽器、二回路循環(huán)泵、加熱器除氧器及水箱等設(shè)備組成。二回路中蒸汽發(fā)生器的給水吸收了一回路傳來的熱量后變成高壓蒸汽 ，推動(dòng)汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后的廢氣在凝汽器內(nèi)冷卻凝結(jié)成水 ，再由給水泵送入加熱器加熱后重新返回蒸汽發(fā)生器 ，再變成高壓蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)做功發(fā)電 ，這樣就構(gòu)成了第二個(gè)密閉循環(huán)回路。二回路系統(tǒng)設(shè)備均安裝在汽輪發(fā)電機(jī)組廠房內(nèi)。

2、核聚變發(fā)電

研究表明，核聚變反應(yīng)中每個(gè)核子放出的能量比核裂變反應(yīng)中每個(gè)核子放出的量大約要高 4 倍，因此核聚變能是比核裂變更為巨大的一種能量。太陽能就是氫發(fā)生核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的。核聚變反應(yīng)也稱為熱核反應(yīng)。核聚變反應(yīng)所用的燃料是氘和氚，既無毒性，又無放射性，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染和溫室效應(yīng)氣體，是最具開發(fā)應(yīng)用前景的清潔能源。核聚變?nèi)剂想诤Ｋ写罅看嬖?，海水中大約每600 個(gè)氫原子就有一個(gè)氘原子，因此地球上海水中氘的總量約為 40 萬億 t。海水中所含的氘為 30 mg /L。

這些氘完全聚變所釋放的聚變能則相當(dāng)于300 L 汽油燃燒的能量。從這個(gè)意義上說，如果實(shí)現(xiàn)了核聚變能的利用，則1 L海水就相當(dāng)于300 L 汽油。因此海水中提取氘幾乎是取之不盡，用之不竭。而核聚變反應(yīng)所需的另一種原料氚可以由鋰制造，地球上鋰的存儲(chǔ)量約為兩千多億噸，足以滿足人類開發(fā)利用核聚變能的需要。此外，據(jù)資料介紹，月球上儲(chǔ)有豐富的氦－3，氘與氦－3 的核聚變反應(yīng)所釋放的能量比氘 － 氚核聚變反應(yīng)釋放的能量還要大，而且氘與氦 － 3 的核聚變反應(yīng)基本上不產(chǎn)生中子，因此可以大大減輕設(shè)備材料的輻射損傷，降低感生放射性的水平。

簡單來講，利用中子去撞擊鈾-235（核燃料）的原子核，會(huì)產(chǎn)生3個(gè)中子和2個(gè)原子核；又一次撞擊，會(huì)生成9個(gè)中子和4個(gè)原子核……這就是核裂變。當(dāng)撞擊達(dá)到足夠次數(shù)時(shí)，中子的質(zhì)量會(huì)小于鈾-235的質(zhì)量，這樣會(huì)讓鈾-235釋放出巨大的能量，給反應(yīng)堆升溫。水泵中的水流入反應(yīng)堆時(shí)會(huì)給反應(yīng)堆降溫，同時(shí)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽可以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，這就是核能發(fā)電的原理。



三、核能發(fā)電發(fā)展前景

1、核能作為一種安全、可靠、清潔、經(jīng)濟(jì)的能源，已經(jīng)成為一些發(fā)達(dá)國家的首選和我國能源發(fā)展的趨勢。

2、近年來，根據(jù)對世界各國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展形勢的預(yù)測，由于能源資源匱乏和溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖威脅，加上核電有利于環(huán)境保護(hù)的明顯優(yōu)勢，將使核電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。核能作為一種先進(jìn)的能源，將在滿足未來能源需求方面發(fā)揮重要作用。在第三世界經(jīng)濟(jì)起飛的國家，常規(guī)能源生產(chǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，需要用核電來補(bǔ)充發(fā)電能力。工業(yè)化國家在20世紀(jì)60年代和70年代建造的核電站即將結(jié)束，需要新的核電來取代它們。

3、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已被許多國家、組織和世界上大多數(shù)國家接受，并積極采取措施防治污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。由于核能具有經(jīng)濟(jì)、安全、無污染三大優(yōu)勢，發(fā)展核能的碳基替代燃料是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、防治污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的切實(shí)有效的措施之一。

4、未來的核能必須為公眾所接受，其公眾接受度將成為決定核能發(fā)展規(guī)模的重要因素之一。核能已經(jīng)從上世紀(jì)六七十年代的高潮變成了低潮，除了世界經(jīng)濟(jì)由高速發(fā)展階段轉(zhuǎn)入穩(wěn)定發(fā)展階段，能源和電力需求增速大幅下降外，核能發(fā)展過程中還發(fā)生了三里島和切爾諾貝利兩次重大核事故，引起了公眾的疑慮。公眾的接受度問題已經(jīng)成為發(fā)展核能的一大障礙，也是重要原因之一。

以上是核能發(fā)電原理及發(fā)展前景的相關(guān)介紹。從核電發(fā)展的大趨勢來看，中國核電發(fā)展的技術(shù)路線和戰(zhàn)略路線早已明確并正在實(shí)施。目前，中國正在發(fā)展壓水堆，中期發(fā)展快中子反應(yīng)堆，遠(yuǎn)期發(fā)展聚變反應(yīng)堆。具體來說，鈾資源，采用鈾钚循環(huán)的技術(shù)路線，中期發(fā)展快中子反應(yīng)堆核電站；長期發(fā)展聚變反應(yīng)堆核電站，將基本解決能源需求 "永遠(yuǎn) "的矛盾。