核能發(fā)電的工作原理

核能是一種高度密集的優(yōu)質(zhì)能源，但要讓核能釋放出來作為發(fā)電，不是一件容易的事。1942年12月2 日，科學家費米和同事們在美國芝加哥大學，實現(xiàn)了世界上第一次受控自持鏈式反應，這個反應進行了28分鐘，雖然它的功率?。ㄗ罡咧贿_到200瓦），但是它的意義是十分巨大的；1951年，美國建成了世界上第一個核能發(fā)電裝置；1954年6月，前蘇聯(lián)建成世界上第一座0.5萬千瓦核電站。

2003年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全世界運行的核電機組數(shù)為440臺，占世界總發(fā)電能力的16%。在建核電機組數(shù)為31臺。世界核發(fā)電量所占比例已從1973年的3%上升到現(xiàn)在的17.3%。預計到2020年，核電在能源結(jié)構(gòu)中應占有22%的比例。美國是世界上核電站最多的國家，擁有全世界四分之一的核電反應堆。立陶宛和法國是世界上核電比例最高的國家，核發(fā)電量占該國總發(fā)電量的75%以上。2003年，中國大陸全年發(fā)電量中2.2%來自于核電。

核能發(fā)電的工作原理

將原子核裂變（或聚變）所釋放的核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿南到y(tǒng)和設(shè)備通常稱為核電站。原子核反應堆類型不同，核電站的系統(tǒng)和設(shè)備也有所不同。下面以壓水反應堆（核電站的主力堆型）為例，介紹核電站的工作原理。壓水堆核電站主要由原子核反應堆、一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)和設(shè)備組成。其流程原理示意如下圖所示。

一回路系統(tǒng)是將裂變能轉(zhuǎn)化為水蒸氣的熱能裝置。它由反應堆、一回路循環(huán)泵（即主泵）、穩(wěn)壓罐（即穩(wěn)壓器）、蒸汽發(fā)生器以及相應的管道等組成。原子核反應堆內(nèi)產(chǎn)生的核能，使堆芯發(fā)熱溫度升高，高溫高壓的冷卻水在主循環(huán)泵驅(qū)動下，流進反應堆堆芯，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，使給水加熱變成高壓蒸汽，放熱后的冷卻水又重新流回堆芯。這樣不斷地循環(huán)往復，構(gòu)成一個密閉的循環(huán)回路。

一回路循環(huán)系統(tǒng)的壓力由穩(wěn)壓罐進行調(diào)節(jié)。現(xiàn)代大功率壓水堆核電站的一回路系統(tǒng)一般有2-4條并聯(lián)的密閉環(huán)路，每條環(huán)路由一臺主循環(huán)泵和一臺蒸汽發(fā)生器與相應管道連接而成。為了確保安全，將整個一回路循環(huán)系統(tǒng)的主要設(shè)備集中安裝在一座立式圓柱狀球形頂蓋密封建筑物（通常稱為核電站安全殼）里，它是采用預應力混凝土內(nèi)襯鋼板的大型建筑結(jié)構(gòu)，能承受一定壓力，可以防止放射性物質(zhì)穿透和向外擴散。

二回路循環(huán)系統(tǒng)由汽輪機、發(fā)電機、冷凝器、二回路循環(huán)泵等設(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變成高壓蒸汽，然后推動汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。作功后的廢氣在冷凝器內(nèi)冷卻而凝結(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汽輪發(fā)電機作功發(fā)電，這樣構(gòu)成了第二個密閉循環(huán)回路。二回路系統(tǒng)設(shè)備均安裝在汽輪發(fā)電機組廠房內(nèi)，一回路和二回路通過主蒸汽管道與蒸汽發(fā)生器連接。

核電站的二回路系統(tǒng)和普通火電站的動力回路相似，蒸汽發(fā)生器和一回路系統(tǒng)相當于火電站的鍋爐。由于反應堆一回路系統(tǒng)往往帶有一定劑量的放射性，因此，從反應堆出來的冷卻劑一般不宜直接送入汽輪機，否則將會使常規(guī)機組操作維修復雜，所以核電站一般比火電站要多一套動力回路。此外，核電站還設(shè)有為了維持核電站正常運行和防止事故的輔助系統(tǒng)廠房、電站循環(huán)水泵房、輸配電廠房以及放射性廢物儲存和處理等廠房。

核能發(fā)電的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

1、核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中，因此核能發(fā)電不會造成空氣污染。

2、核能發(fā)電不會產(chǎn)生加重地球溫室效應的二氧化碳。

3、核能發(fā)電所使用的鈾燃料，除了發(fā)電外，沒有其他的用途。

4、核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，故核能電廠所使用的燃料體積小，運輸與儲存都很方便，一座1000百萬瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料，一航次的飛機就可以完成運送。

5、核能發(fā)電的成本中，燃料費用所占的比例較低，核能發(fā)電的成本較不易受到國際經(jīng)濟情勢影響，故發(fā)電成本較其他發(fā)電方法為穩(wěn)定。

缺點：

1、核能電廠會產(chǎn)生高低階放射性廢料，或者是使用過之核燃料，雖然所占體積不大，但因具有放射線，故必須慎重處理，且需面對相當大的政治困擾。

2、核能發(fā)電廠熱效率較低，因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱到環(huán)境裏，故核能電廠的熱污染較嚴重。

3、核能電廠投資成本太大，電力公司的財務風險較高。

4、核能電廠較不適宜做尖峰、離峰之隨載運轉(zhuǎn)。

5、興建核電廠較易引發(fā)政治歧見紛爭。

6、核電廠的反應器內(nèi)有大量的放射性物質(zhì)，如果在事故中釋放到外界環(huán)境，會對生態(tài)及民眾造成傷害。

核電站主要堆型

核電反應堆是一種特殊鍋爐，也有人稱它為原子反應爐。現(xiàn)代的反應堆，從外面看是一個立式球形頂?shù)膱A柱體或球形建筑物，這就是所謂核島。至于發(fā)電部分（也稱為常規(guī)島），核電廠與炎電廠都用蒸汽膨脹做功，推動蒸汽輪機旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。核電站與火電站主要的不同是蒸汽供給系統(tǒng)?；痣娬疽揽咳紵剂厢尫诺幕瘜W能制造蒸汽，核電站是依靠核燃料裂變反應釋放核能來制造蒸汽。

核電堆型種類很多，但技術(shù)比較成熟且投入商業(yè)營運的，主要有以下幾種堆型。

（1）壓水堆：是一種首先應用于艦船的核動力堆，以水為冷卻劑和中子慢化劑，結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟性好，安全性也較好，除了有幾道安全屏障外，還有一系列縱深防護措施。從安全心理出發(fā)，這恐怕是許多國家選用壓水堆的重要因素，目前是全世界核電站的主力堆型。我國大陸已建及在建的11臺核電機組中就9臺是壓水堆核電機組。

第三代先進壓水堆技術(shù)以歐洲的AREVA公司的EPR和美國WESTINGHOUSE公司的AP1000技術(shù)為首，這兩大公司也把持著世界核電行業(yè)的頭二把交椅。

領(lǐng)導講話——環(huán)境保護部副部長、核安全局局長李干杰

（2）沸水堆：是在壓水堆的基礎(chǔ)上，經(jīng)過簡化派生出來的。它通過降低壓力，使水在堆芯沸騰后直接生成蒸汽，經(jīng)過汽水分離，直接用于推動汽輪機發(fā)電。雖然沸水堆只有一個回路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)備制造難度也較低，但其蒸汽帶有放射性，汽輪機及主蒸汽管道都必須有相應的防護措施。

沸水堆主要是GE和HITACHI在做，中國還沒引進，鬼子用的較多

（3）重水堆：使用重水（即重氫和氧形成的水）作冷卻劑和中子慢化劑，可直接采用天然鈾或略濃縮的金屬鈾作燃料，不需要大型制造設(shè)備，但這種反應堆體積大，且重水價格昂貴。我國大陸已建和在建的11臺核電機組有2臺是從加拿大引進的重水堆核電機組。

重水堆也就是加拿大原子能公司的CANDU堆

（4）氣冷堆：采用氣體（二氧化碳、氦氣等）作冷卻劑，曾一度是英國與法國的主要堆型，由于氣體傳熱能力較差，有一些難題尚待解決，其發(fā)展受到一定的限制。目前正在開發(fā)的高溫氣冷堆，熱效率高，安全性好，有可能得到發(fā)展。

（5）壓力管式石墨沸水堆：該電站是采用的壓力管式石墨沸水堆，這種堆型設(shè)備制造簡單，可不停堆裝卸料；但回路系統(tǒng)復雜，安裝維修困難，特別是壓力管是單層的，又沒有壓力殼，因而反應堆一旦損壞，放射性物質(zhì)就直接而且大量地泄漏到環(huán)境中去了。1986年4月26日，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生嚴重事故之后，這種堆型的發(fā)展計劃已被取消。

（6）快中子增殖堆：快中子增殖堆沒有慢化劑，使用快中子（中子平均能量約0.5Mev 以上，比熱中子反應堆內(nèi)電子平均能量約0.07Mev大得多）引發(fā)裂變，不但每個鈾—235原子核裂變后放出的次級中子多，而且快中子的損失少。因此，這些快中子在引發(fā)裂變后，還有較多的剩余，可用來使不易裂變的鈾-238變成易裂變的優(yōu)質(zhì)燃料钚-239，從而使核燃料越燒越多。壓水堆是消耗核燃料鈾-235生產(chǎn)了電能；而快中子增殖堆既生產(chǎn)了電能，又生產(chǎn)了核燃料钚-239。

由于快中子增殖堆使作為天然鈾主要成分的鈾——238變成钚——239加以利用，因而快中子增殖堆中鈾的利用率比目前壓水堆中鈾的利用率高140倍。那些在壓水堆中不能利用的濃縮鈾的尾料，以及壓水堆卸出的核燃料，都能在快中子增殖堆中得到利用。而且，使那些在目前不能開采的低品位鈾礦，也有經(jīng)濟開采的價值，可以充分滿足人類幾百年內(nèi)對能源的需求。美國等?。?國確定的新能源發(fā)展計劃中，快中子增殖堆是重點發(fā)展的堆型。除現(xiàn)行的鈉冷快中子增殖堆外，還在發(fā)展氣冷快中子增殖堆、鉛冷快中子增殖堆等。

核電站的堆型按照用途來分，可分為動力堆、生產(chǎn)堆、研究堆、特殊用途堆等；按照冷卻劑和慢化劑來分，又可分為輕水堆、重水堆、石墨氣冷堆、石墨水冷堆、高溫氣冷堆、快中子增殖堆等（見圖2）

在目前，核電站中以壓水堆、沸水堆所占的比例最大，分別占60%和20%，重水堆約占10%，其它堆占10%。

除上述核裂反應堆這外，目前全世界正在投入大量的人力、物力研制核聚變反應堆。當2個輕原子核結(jié)合成一個較重的原子核時，也會釋放能量。我們稱這種結(jié)合為聚變，釋放出的能量稱為聚變能。在人工控制下的聚變?yōu)槭芸鼐圩儯谑芸鼐圩兊那闆r下釋放能量的裝置，稱為聚變反應堆。聚變能是一種更加安全、清潔、經(jīng)濟的能源，且有可能實現(xiàn)能量直接轉(zhuǎn)換，具有極高的熱效率。不僅輕原子核聚變時，每1千克聚變?nèi)剂厢尫诺哪芰慷?，更重要的是，地球上聚變?nèi)剂系膬α勘攘炎內(nèi)剂蟽α控S富得多。氘、氚聚變所釋放的能量，是同等質(zhì)量鈾-235裂變所釋放能量的4倍。而且，海洋中有取之不盡的氘，海水中氘含量為34毫克/升，地球上總含氘量多達40萬億噸，可供人類用50億年以上。氚可用鋰（鋰-6）來生產(chǎn)，自然界中鋰也很豐富，所以聚變能發(fā)電是更理想的能源。國際核聚變專家們樂觀估計，本世紀下半葉可以實現(xiàn)聚變反應堆商業(yè)發(fā)電。

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