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40年代出現(xiàn)原子彈以來，核能逐漸被人們所掌握。準確地說，"原子能 "應該是化學能，例如通過燃燒煤、石油或天然氣得到的就是 "原子能"，因為這種能量是可燃物質(zhì)的化學反應所釋放的能量?；瘜W反應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辛硪环N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。核能是核反應所釋放的能量，它將原來的核結(jié)構(gòu)從一個核變?yōu)榱硪粋€新的核變，即從一個元素變?yōu)榱硪粋€元素或同位素。核能發(fā)電利用這些同位素的核裂變鏈式反應產(chǎn)生的熱量，將水加熱成高溫高壓，驅(qū)動蒸汽渦輪機發(fā)電。

二、核能發(fā)電原理

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

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?。核電站中的反應堆種類很多 ， 目前技術(shù)比較成熟且投入商業(yè)運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堆。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)動下流進堆芯 ，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)往復構(gòu)成一個密閉的循環(huán)回路。為了確保安全， 將整個一回路循環(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、發(fā)電機、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 ，推動汽輪機，帶動發(fā)電機發(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發(fā)電機做功發(fā)電 ，這樣就構(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)。

2、核聚變發(fā)電

研究表明，核聚變反應中每個核子放出的能量比核裂變反應中每個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)生核聚變反應所產(chǎn)生的。核聚變反應也稱為熱核反應。核聚變反應所用的燃料是氘和氚，既無毒性，又無放射性，不會產(chǎn)生環(huán)境污染和溫室效應氣體，是最具開發(fā)應用前景的清潔能源。核聚變?nèi)剂想诤Ｋ写罅看嬖冢Ｋ写蠹s每600 個氫原子就有一個氘原子，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于300 L 汽油燃燒的能量。從這個意義上說，如果實現(xiàn)了核聚變能的利用，則1 L海水就相當于300 L 汽油。因此海水中提取氘幾乎是取之不盡，用之不竭。而核聚變反應所需的另一種原料氚可以由鋰制造，地球上鋰的存儲量約為兩千多億噸，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，月球上儲有豐富的氦－3，氘與氦－3 的核聚變反應所釋放的能量比氘 － 氚核聚變反應釋放的能量還要大，而且氘與氦 － 3 的核聚變反應基本上不產(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，會產(chǎn)生3個中子和2個原子核；又一次撞擊，會生成9個中子和4個原子核……這就是核裂變。當撞擊達到足夠次數(shù)時，中子的質(zhì)量會小于鈾-235的質(zhì)量，這樣會讓鈾-235釋放出巨大的能量，給反應堆升溫。水泵中的水流入反應堆時會給反應堆降溫，同時產(chǎn)生蒸汽，蒸汽可以驅(qū)動汽輪機發(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)濟的能源，已經(jīng)成為一些發(fā)達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)濟建設(shè)和社會發(fā)展形勢的預測，由于能源資源匱乏和溫室效應導致的全球變暖威脅，加上核電有利于環(huán)境保護的明顯優(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)濟起飛的國家，常規(guī)能源生產(chǎn)不能滿足經(jīng)濟發(fā)展的要求，需要用核電來補充發(fā)電能力。工業(yè)化國家在20世紀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，保護生態(tài)環(huán)境。由于核能具有經(jīng)濟、安全、無污染三大優(yōu)勢，發(fā)展核能的碳基替代燃料是實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、防治污染、保護生態(tài)環(huán)境的切實有效的措施之一。

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)從上世紀六七十年代的高潮變成了低潮，除了世界經(jīng)濟由高速發(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施。目前，中國正在發(fā)展壓水堆，中期發(fā)展快中子反應堆，遠期發(fā)展聚變反應堆。具體來說，鈾資源，采用鈾钚循環(huán)的技術(shù)路線，中期發(fā)展快中子反應堆核電站；長期發(fā)展聚變反應堆核電站，將基本解決能源需求 "永遠 "的矛盾。