核能發(fā)電簡介

從 20 世紀(jì) 40 年代原子彈的出現(xiàn)開始，核能就志逐漸被人們所掌握，準(zhǔn)確地說，“原子能”應(yīng)該是化學(xué)能。比如燃燒煤、石油或天然氣所獲取的就是“原子能”，因?yàn)檫@種能量是可燃物質(zhì)通過燃燒這一化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量?；瘜W(xué)反應(yīng)過程僅僅是使一種或幾種物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)在反應(yīng)中變成了另外一種或幾種物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，即由一種或幾種物質(zhì)變成了另外一種或幾種新的物質(zhì)，并未涉及到原子的變化。而核能則是原子核通過核反應(yīng)，改變了原有的核結(jié)構(gòu)，由一種原子核變成了另外一種新的原子核，即由一種元素變成另外一種元素或者同位素，由此所釋放出的能量。核能發(fā)電利用這些同位素進(jìn)行核分裂連鎖反應(yīng)所產(chǎn)生的熱，將水加熱成高溫高壓，推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

核能發(fā)電原理

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?yīng)堆種類很多 ， 目前技術(shù)比較成熟且投入商業(yè)運(yùn)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(yīng)堆。壓水堆核電站主要由原子核反應(yīng)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(yīng)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(dòng)下流進(jìn)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(fù)構(gòu)成一個(gè)密閉的循環(huán)回路。為了確保安全， 將整個(gè)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(jī)、發(fā)電機(jī)、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(dòng)汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(dòng)發(fā)電機(jī)做功發(fā)電 ，這樣就構(gòu)成了第二個(gè)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(jī)組廠房內(nèi)。

2、核聚變發(fā)電

研究表明，核聚變反應(yīng)中每個(gè)核子放出的能量比核裂變反應(yīng)中每個(gè)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(yīng)所產(chǎn)生的。核聚變反應(yīng)也稱為熱核反應(yīng)。核聚變反應(yīng)所用的燃料是氘和氚，既無毒性，又無放射性，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染和溫室效應(yīng)氣體，是最具開發(fā)應(yīng)用前景的清潔能源。核聚變?nèi)剂想诤Ｋ写罅看嬖?，海水中大約每600 個(gè)氫原子就有一個(gè)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(dāng)于300 L 汽油燃燒的能量。從這個(gè)意義上說，如果實(shí)現(xiàn)了核聚變能的利用，則1 L海水就相當(dāng)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(yīng)所需的另一種原料氚可以由鋰制造，地球上鋰的存儲(chǔ)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(chǔ)有豐富的氦－3，氘與氦－3 的核聚變反應(yīng)所釋放的能量比氘 － 氚核聚變反應(yīng)釋放的能量還要大，而且氘與氦 － 3 的核聚變反應(yīng)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。

人們探測月球、開發(fā)月球的意義由此可見一斑。然而，實(shí)現(xiàn)“受控核聚變”一直是困擾核聚變能利用的難題，為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)所關(guān)注。2006 年 11 月，歐盟、印度、日本、韓國、美國、俄羅斯和中國七方正式達(dá)成協(xié)議，選擇在法國的卡達(dá)拉奇建造世界上第一個(gè)受控核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，預(yù)計(jì)用 10 年時(shí)間完成，如果成功，全世界未來的電力供應(yīng)將不再受各種復(fù)雜條件的制約。

核電仍是發(fā)電成本最低選擇

“分析結(jié)果顯示，在采用3%的系數(shù)情況下，核電在所有國家中都是發(fā)電成本最低的選擇?！苯?，在國際能源署（IEA）和核電能源機(jī)構(gòu)（NEA）聯(lián)合發(fā)布的關(guān)于平準(zhǔn)化發(fā)電成本（LCOE）調(diào)查報(bào)告中，得出這一結(jié)論。

本次被稱為“8.0版本”的發(fā)電成本調(diào)查報(bào)告，收集并統(tǒng)計(jì)了來自19個(gè)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織 （OECD）國家和3個(gè)非OECD國家的181個(gè)不同類型發(fā)電廠的運(yùn)營數(shù)據(jù)，根據(jù)發(fā)電廠的完整工作周期計(jì)算出其LCOE，即電廠運(yùn)營時(shí)相對(duì)穩(wěn)定的生產(chǎn)成本。報(bào)告分別采用了3%、7%和10%三種系數(shù)進(jìn)行LCOE分析。

“核電需投入大量資本以增加生產(chǎn)力，因此伴隨LCOE分析系數(shù)的提高核電生產(chǎn)成本也將水漲船高。”報(bào)告在分析過程中如是說。

就分析結(jié)果而言，在7%系數(shù)的情況下，核電LCOE的中值與燃煤發(fā)電相近，而在10%系數(shù)情況下，核電LCOE中值則比燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電都要高。這些結(jié)果綜合考慮了30美元/噸的碳排放成本和不同地區(qū)在燃料成本上的差別。

報(bào)告顯示，在7%的系數(shù)情況下，燃煤電廠LCOE波動(dòng)范圍為76美元/兆瓦時(shí)（德國）~107美元/兆瓦時(shí)（日本），天然氣發(fā)電廠LCOE則為66美元/兆瓦時(shí) （美國）~138美元/兆瓦時(shí)（日本）。

中國核電站的LCOE在7%系數(shù)情況下大約為37美元/兆瓦時(shí)~48美元/兆瓦時(shí);而燃煤電廠LCOE中值為78美元/兆瓦時(shí);天然氣發(fā)電LCOE中值則是93美元/兆瓦時(shí)。

核電發(fā)展前景預(yù)測

1、國外核電發(fā)展

美國是世界第一核電大國 ，目前運(yùn)行的核電機(jī)組為 104 臺(tái) ，裝機(jī)容量達(dá) 970 GW ， 占世界核電裝機(jī)容量的 29 %，為美國提供了20 %的電力。目前歐洲有近 135 個(gè)核反應(yīng)堆在運(yùn)行， 總裝機(jī)容量為 125 GW ，占?xì)W洲總發(fā)電量的35 %。英國面臨的能源壓力最大 ，目前的 12 座核電站大部分建于 20 世紀(jì)中期， 其核電提供了全國 25 %的電力份額， 天然氣發(fā)電的比例為 40 %。盡管法國是世界上核電占電力比例最高的國家 （約占總發(fā)電量的 80 %）并向周邊國家輸出電力 ，但法國仍在積極發(fā)展核電，并將在 2020 年建成球床式反應(yīng)堆 （核電站反應(yīng)堆型 ）。俄羅斯近年來克服了切尓諾貝利核事故后公眾強(qiáng)烈反對(duì)核電建設(shè)的障礙， 并且繼續(xù)實(shí)行其強(qiáng)大的核工業(yè)發(fā)展計(jì)劃。俄羅斯 2004 年有 10 個(gè)核電站的 30 座反應(yīng)堆在運(yùn)行，總功率為22. 242 GW ，目前核電占全國發(fā)電量的 16 %［3］。

亞洲國家中 ，韓國是發(fā)展中國家中發(fā)展核電最成功的國家之一 ， 核電發(fā)電量已占全國發(fā)電量的 40 %。從20 世紀(jì) 70 年代第一個(gè)核電站建成后 ，韓國核電一直穩(wěn)步發(fā)展 ，預(yù)計(jì)到至 2015 年韓國還將建 12 臺(tái)新的核電機(jī)組 。日本能源經(jīng)濟(jì)研究院也稱 2030 年日本核電在一次能源中的份額將從 2004 年的 11 %上升到 20 %。印度目前核電總裝機(jī)容量為1100 萬 kW ， 并計(jì)劃到 2020 年為 2900 萬 kW ， 到 2030 年為6 300 萬 kW ，到 2040 年為 13 100 萬 kW ， 到 2050 年達(dá) 27500 萬 kW 。

2、我國核電發(fā)展

2007年，中國核電總發(fā)電量628.62億千瓦時(shí)，上網(wǎng)電量為592.63億千瓦時(shí)，同比分別增長14.61%和14.39%。田灣核電站2臺(tái)106萬千瓦的機(jī)組分別于2007年5月和8月投入商運(yùn)，中國核電運(yùn)行機(jī)組達(dá)到11臺(tái)，運(yùn)行總裝機(jī)容量達(dá)907.8萬千瓦。

截至2007年底，中國電力裝機(jī)容量達(dá)到7.13億千瓦，全國電力供需繼續(xù)保持總體平衡態(tài)勢。同時(shí)，隨著田灣核電站兩臺(tái)百萬千瓦核電機(jī)組投產(chǎn)，全國核電裝機(jī)容量已達(dá)885萬千瓦。

2007年全國水電、火電裝機(jī)容量均保持超過10%的增長，分別達(dá)到1.45億千瓦和5.54億千瓦。而風(fēng)電并網(wǎng)生產(chǎn)的裝機(jī)總?cè)萘縿t實(shí)現(xiàn)翻番，達(dá)到403萬千瓦。

2008年，中國統(tǒng)一明確了鼓勵(lì)核電發(fā)展的稅收政策。積極推進(jìn)核電建設(shè)，將改善中國的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，保障能源安全和經(jīng)濟(jì)安全，保護(hù)環(huán)境。

中國正在加大能源結(jié)構(gòu)調(diào)整力度［4］。積極發(fā)展核電、風(fēng)電、水電等清潔優(yōu)質(zhì)能源已刻不容緩。中國能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主體，清潔優(yōu)質(zhì)能源的比重偏低。

官方正計(jì)劃調(diào)整核電中長期發(fā)展規(guī)劃，加快沿海核電發(fā)展，力爭2020年核電占電力總裝機(jī)比例達(dá)到百分之五以上。之前在核電規(guī)劃中，核電比重為百分之四。

中國建成和在建的核電站總裝機(jī)容量為870萬千瓦，預(yù)計(jì)到2010年中國核電裝機(jī)容量約為2000萬千瓦，2020年約為4000萬千瓦。到2050年，根據(jù)不同部門的估算，中國核電裝機(jī)容 量可以分為高中低三種方案：高方案為3.6億千瓦（約占中國電力總裝機(jī)容量的30%），中方案為2.4億千瓦（約占中國電力總裝機(jī)容量的20%），低方案為1.2億千瓦（約占中國電力總裝機(jī)容量的10%）。

中國國家發(fā)展改革委員會(huì)正在制定中國核電發(fā)展民用工業(yè)規(guī)劃，準(zhǔn)備到2020年中國電力總裝機(jī)容量預(yù)計(jì)為9億千瓦時(shí)，核電的比重將占電力總?cè)萘康?%，即是中國核電在2020年時(shí)將為3600-4000萬千瓦。也就是說，到2020年中國將建成40座相當(dāng)于大亞灣那樣的百萬千瓦級(jí)的核電站。

從核電發(fā)展總趨勢來看，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執(zhí)行，當(dāng)前發(fā)展壓水堆，中期發(fā)展快中子堆，遠(yuǎn)期發(fā)展聚變堆。具體地說就是，鈾資源，采用鈾钚循環(huán)的技術(shù)路線，中期發(fā)展快中子增殖反應(yīng)堆核電站；遠(yuǎn)期發(fā)展聚變堆核電站，從而基本上“永遠(yuǎn)”解決能源需求的矛盾。