什么是核能发电?

[拼音]：heneng fadian

[外文]：nuclear electric power generation

利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。

核能发电的历史与动力堆的发展历史密切相关。动力堆的发展最初是出于军事需要。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。到1960年，有5个国家建成20座核电站，装机容量1279兆瓦（电）。由于核浓缩技术的发展，到1966年，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）。80年代因化石能源短缺日益突出，核能发电的进展更快。到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％。

中国大陆的核电起步较晚，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。

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。

（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。

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。法国电力公司1982年公布的核电站、燃煤电厂、燃油电厂的成本比较如表所示：

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。

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、d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。

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d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（见等离子体应用）。