核能发电的工作原理及流程（核能发电的工作原理）

核能是一种高密度的优质能源，但释放核能发电并不容易。1942年12月2日，科学家费米和他的同事在美国芝加哥大学实现了世界上第一个可控自持链式反应。这个反应持续了28分钟，虽然功率很小(最多200瓦)，但意义是巨大的。1951年，美国建造了世界美国第一座核电站；1954年6月，前苏联建立了世界美国第一座5000千瓦核电站。

2003年的统计显示，全世界有440个核电机组在运行，占世界的16 美国总发电能力。在建核电机组31台。核能发电占世界的比重从1973年的3%上升到现在的17.3%。预计到2020年，核电应占能源结构的22%。美国拥有世界上最多的核电站，占世界的四分之一美国核能反应堆。立陶宛和法国是世界上核电比例最高的国家，核电占全国的75%以上总发电量。在2003年，中国大陆2.2%的人美国每年的发电量来自核能。

核能发电的工作原理将原子核裂变(或聚变)释放的核能转化为电能的系统和设备通常称为核电站。不同类型的核反应堆在核电站中有不同的系统和设备。以压水堆(核电站的主要堆型)为例介绍核电站的工作原理。压水堆核电站主要由原子核反应堆、一回路系统、二回路系统以及其他辅助系统和设备组成。流程原理如下图所示。

主回路系统是一个热能装置，将裂变能转化为水蒸气。它由反应堆、一次循环泵(即主泵)、稳压罐(即稳压器)、蒸汽发生器和相应的管道组成。核反应堆中产生的核能提高了堆芯的加热温度。在主循环泵的驱动下，高温高压的冷却水流入反应堆堆芯，将堆芯的热量带到蒸汽发生器。蒸汽发生器将热量传递给二回路循环系统中的给水，使给水被加热成高压蒸汽，放热的冷却水再次流回堆芯。这样不断重复，形成一个封闭的循环回路。

第一回路循环系统的压力由缓冲罐调节。现代压水堆核电站一回路系统一般有2-4个并联的闭合回路，每个回路由一个主循环泵和一个蒸汽发生器组成，并与相应的管道相连。为了保证安全，整个一回路系统的主要设备集中安装在一个立式圆柱形球形顶部密封建筑(通常称为核电站的安全壳)内。是预应力混凝土内衬钢板的大型建筑结构，能承受一定的压力，防止放射性物质向外渗透扩散。

二次循环系统由汽轮机、发电机、冷凝器、二次循环泵等设备组成。第二回路的蒸汽发生器给水吸收第一回路的热量，变成高压蒸汽，然后驱动汽轮机带动发电机发电。做功后的废气在冷凝器中冷却凝结成水，再由给水泵送入加热器加热后返回蒸汽发生器，再变成高压蒸汽推动汽轮发电机做功发电，形成第二个闭合循环回路。二次系统设备安装在汽轮发电机组内，一、二次回路通过主蒸汽管道与蒸汽发生器相连。

核电站二回路系统类似于普通热电站的动力回路，蒸汽发生器和一回路系统相当于热电站的锅炉。由于反应堆的一回路系统往往带有一定剂量的放射性，反应堆的冷却剂不应直接送到汽轮机，否则会使反应堆的运行和维护复杂化

1、核能发电不像化石燃料发电那样向大气中排放巨量的污染物，所以核能发电不会造成空气污染。

2、核能发电不会产生加剧全球温室效应的二氧化碳。

3、用于核能发电的铀燃料除了发电没有其他用途。

4、核燃料的能量密度比化石燃料高几百万倍，所以核电站使用的燃料体积小，便于运输和储存。一座1000兆瓦的核电站一年只需要30公吨铀燃料，运输可以由一架航程飞机完成。

5、在核能发电的成本中，燃料成本所占比重较低，核能发电的成本不易受国际经济形势的影响，因此发电成本比其他发电方式更稳定。

缺点：

1、核电站会产生高低等级的放射性废物或用过的核燃料。虽然体量很小，但是因为辐射的原因必须小心处理，而且会面临相当大的政治麻烦。

2、核电厂热效率低，所以比一般的化石燃料电厂向环境排放更多的余热，所以核电厂热污染更严重。

3、核电站投资成本太高，电力公司财务风险大。

4、核电厂不适合高峰和非高峰带负荷运行。

5、核电站的建设容易引起政治纠纷。

6、核电站反应堆内存在大量放射性物质，如果在事故中释放到外界环境中，会对生态和人造成危害。

主堆型核电反应堆是一种特殊的锅炉，有人称之为原子反应堆。现代的反应堆，从外面看，是一个带有球形屋顶的垂直圆柱体或球形建筑，称为核岛。至于发电部分(也称常规岛)，无论是核电站还是燕电厂，都是利用蒸汽膨胀做功，带动汽轮机旋转，带动发电机发电。核电站和火电厂的主要区别在于蒸汽供应系统。火力发电厂依靠燃烧化石燃料释放的化学能产生蒸汽，而核电站依靠核燃料的裂变反应释放核能产生蒸汽。

核电反应堆的类型很多，但技术成熟并投入商业运行的主要有以下几种。

(1)压水堆(PWR):是一种首次应用于船舶的核动力反应堆，以水为冷却剂和中子慢化剂。它结构紧凑，经济性好，安全性好。除了几道安全屏障，它还有一系列深入的保护措施。从安全心理学的角度来看，这大概是很多国家选择压水堆的重要因素，压水堆是目前全世界核电站的主要堆型。mainland China已建和在建的11个核电机组中，有9个是压水堆核电机组。

第三代先进压水堆技术以欧洲阿海珐公司的EPR和美国西屋公司的AP1000技术为主导。这两家公司还占据着世界前两名的位置美国核能工业。

领导致辞——李环境保护部副部长、核安全局局长

(2)沸水堆(BWR):由PWR经过简化衍生而来。通过降低压力，水在堆芯沸腾后直接产生蒸汽，汽水分离后直接用于驱动汽轮机发电。虽然沸水堆只有一个回路，系统结构简单，设备制造难度低，但其蒸汽具有放射性，因此汽轮机和主蒸汽管道必须有相应的防护措施。

沸水堆主要由GE和日立制造，但它没有没有传入中国，日本人用得更多。

(3)重水反应堆：重水(即重氢和氧形成的水)作为冷却剂和中子慢化剂，天然铀或稍浓的金属铀可直接用作燃料，不需要大型制造设备。然而，这种反应堆体积大，重水价格昂贵。在已建成或在建的11座核电机组中

(5)压力管式石墨沸水堆：本电站采用压力管式石墨沸水堆，制造简单，可以不停机装卸物料；然而，电路系统复杂，并且难以安装和维护。特别是压力管是单层的，没有压力壳。因此，一旦反应堆受损，放射性物质将直接大量泄漏到环境中。1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站发生严重事故后，该型反应堆的研制计划被取消。

(6)快中子增殖堆：快中子增殖堆没有慢化剂，利用快中子(中子平均能量在0.5Mev以上，比热中子堆电子平均能量大0.07Mev)引发裂变。不仅每个铀-235原子在核裂变后释放出更多的次级中子，快中子的损失也更少。所以裂变后，这些快中子有更多的剩余，可以用来把裂变的铀-238变成可裂变的高质量燃料钚-239，从而使核燃料越烧越多。压水堆消耗核燃料U -235产生电能；快中子增殖反应堆不仅产生电能，还产生核燃料钚-239。

快中子增殖堆铀的利用率比目前压水堆高140倍，因为天然铀的主要成分铀——238变成了钚——239进行利用。不能用于压水堆的浓缩铀尾矿和压水堆排出的核燃料可用于快中子增殖堆。此外，那些低品位的铀矿可以目前不被开采的也有经济开采的价值，完全可以满足人类几百年内对能源的需求。等待美国！在中国确定的新能源发展规划中，快中子增殖堆是重点堆型。除了目前的钠冷快中子增殖堆，气冷快中子增殖堆和铅冷快中子增殖堆也在发展中。

核电站的反应堆类型可分为动力堆、生产堆、研究堆、特殊用途堆等。按冷却剂和慢化剂可分为轻水堆、重水堆、石墨气冷堆、石墨水冷堆、高温气冷堆和快中子增殖堆(见图2)。

目前核电站中压水堆和沸水堆所占比例最大，分别占60%和20%，重水堆约占10%，其他堆占10%。

除了上面提到的核裂变反应堆，世界各地都在投入大量的人力物力进行核聚变反应堆的开发。当两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时，也释放出能量。我们把这种结合叫做聚变，释放出来的能量叫做聚变能。人工控制下的聚变叫受控聚变，在受控聚变下释放能量的装置叫聚变堆。聚变能是一种更安全、更清洁、更经济的能源，可以实现直接的能量转换，热效率非常高。不仅轻原子聚变每千克聚变燃料释放的能量更多，更重要的是，聚变燃料在地球上的储量比裂变燃料丰富得多。氘和氚聚变释放的能量是同质量铀-235裂变释放能量的4倍。而且，海洋中有取之不尽的氘。海水中的氘含量为34 mg/L，地球上的氘总含量高达40万亿吨，可供人类使用50亿年以上。可以产生氚锂(锂-6)，锂在自然界中很丰富，所以聚变能是比较理想的能源。国际核聚变专家乐观地认为，本世纪下半叶可以实现聚变堆的商业发电。

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