电力是现代生产、生活的基础，发电有多种方式，如水力发电、火力发电、抽水蓄能发电、潮汐发电、太阳能发电等，其中核能发电提供了全世界约20% 的电力，避免了大约 25 亿吨 CO 2的排放。因此为可持续电力供应做出了重大贡献。核能发电的主要原理是什么，人们如何利用核能发电的呢？

 

一、核能是如何产生的

世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会通过分裂或合成，变成另外一种物质。物质无论是分裂或合成，都会产生能量，这种能量称核能，也称原子能。其主要原理是爱因斯坦的质能方程E=m*c^2。当原子核发生裂变或者聚变时，有一部分质量转化为能量释放出来，而且只要微量的质量就可以转化成巨大的能量。

(1)裂变：将一个质量较大的原子核，分裂成两个质量较小的原子核。原子弹就是利用了裂变的原理。

(2)聚变：两个轻原子核结合形成一个更重、更稳定的原子核，如两个氢原子合为一个氦原子。太阳就是通过聚变而产生能量。

 

二、如何利用核能发电

爱因斯坦曾说：“Nuclear power is a hell of a way to boil water.”。核能发电的主要原理，是通过裂变的核链式反应，产生大量热量。这些热量被用来产生蒸汽，使涡轮机旋转以产生电能。

 

三、核电厂的构成

如图所示，核电厂由密封腔（安全壳）、反应堆、蒸汽轮机、冷凝器等构成。其中，反应堆由反应核、铀管、控制棒等构成。密封腔的安全壳结构在至少要有3英尺厚的混凝土。

核电厂构成

核电厂构成

（1）核反应堆

核反应堆用于产生热量，是核电站的心脏。其主要功能是容纳和控制核裂变。核电站使用的燃料是放射性元素铀的同位素，U-235裂变将核分裂成两块，释放中子用于链式反应，核裂变链式反应以热的形式释放能量。

（2）燃料棒

反应堆使用铀作为核燃料。铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块，然后堆叠成密封的金属管，称为燃料棒。通常，几百个燃料棒集成在一起形成燃料组件。根据需要的电量，反应堆堆芯通常由几百个组件组成。

燃料棒

在反应堆容器内，当燃料棒浸入水中时，水既充当冷却剂又充当减速剂。减速剂有助于减缓裂变产生的中子，以维持链式反应。

当控制棒插入反应堆堆芯时，可以吸收路子，降低反应速度；如将其取出，可以提高反应速度。裂变产生的热量将水变成蒸汽，蒸汽带动涡轮机产生电力。

福岛核电事件，是由于地震发生后，反应堆控制棒无法落入堆芯而产生了大量热量，但用于抽冷却水的泵，又由于海啸停电而失去作用，反应堆失去控制而使堆芯熔化。

福岛核电事故，靠外部喷水降温

(3)热交换器

热交换器利用核反应堆产生的热量将水转化为蒸汽。这些蒸汽被送入汽轮机并在冷凝器中冷凝。

（4）冷凝器

用不完的蒸汽，将进入冷凝器，蒸汽在冷凝器中冷却返回液态。由于需要大量的冷水，这也是核电厂通常建设在海边的原因。

（5）蒸汽轮机和发电机

汽轮机由蒸汽失去旋转而运行发电机或交流发电机，该发电机组与蒸汽轮机相连，从而产生电能。

四、核电控制系统

为了使核电系统能够正常运行，通常需要控制堆芯的功率以及压力、流量、温度和热传输系统参数。

核电站控制包括反应堆控制系统、安全保护系统（反应堆停堆系统、工程安全设施运行系统），以及汽轮发电机系统和辅助系统。

反应堆控制系统用于功率控制、冷却剂（减速剂）及温度/压力控制、减速剂量（反应堆水位）控制。

控制反应堆功率的基本操纵变量是反应性。反应性随控制棒的插拔而变化，也随冷却剂温度（密度）、燃料温度和空隙体积而变化。功率控制通过调整控制棒位置和反应堆的再循环流量来实现的。此外，电力输出控制时，可根据电力系统负荷需求，先调节反应堆输出，再调节汽轮发电机输出。

核电控制系统

五、核能发电的优缺点

1.优点

（1）高效，其效率可达91%。

（2）节省燃料，用少量燃料就可以产生高能量，比火力发电节省煤。

（3）低温室气体排放，因此不会导致全球变暖或酸雨，在碳中和、碳达峰的背景下，更有优势。

（4）低污染

（5）不像水力发电那样，受气候影响。

（6）价格便宜。比水电以外的其他能源更便宜

（7）热能可以供暖，如北方供暖系统，不用再建锅炉，可以直接利用核电产生的余热。

2.缺点

（1）危险废物的储存和处置。比如，核电站的放射性废物钚-239半衰期长达2.41万年！

（3）恐怖分子如果袭击核电站，后果不堪设想。

（4）高启动成本和关闭费用，每年需要花一定的时间来进行安全检修。

（5）一但出事，将导致核泄露、熔化的危险。

如果管理不善或者发生故障，将产生突发灾难。如美国的三里岛（Three Mile Island）核电站、前苏联的切尔诺贝利核电站，日本的福岛核电站，都是典型的例子。