核能发电技术能源现状及优势

核能发电技术能源现状及优势

黄晓虎

阳江核电有限公司 广东省 529500

摘要：随着世界人口的持续增长及发展中国家人民生活水平的逐步提高，化石燃料的消耗将会加快，加强可再生能源的利用得到强烈响应，风能、太阳能、水能及生物质能等越来越受重视。但这些能源或多或少尚有问题，如风能、太阳能的持续供电问题，水能及生物质能的资源有限问题等，因此核能理所当然地为人们所重视。

关键词：核能发电；技术能源；现状；优势

引言

能源是当今世界范围内被普遍重视的问题。这是因为在目前的一次能源消费中，煤、石油和天然气三种化石类能源仍然是主要的能量来源，而化石类能源的大量使用所造成的环境污染和温室气体排放引起的全球变暖，对社会、经济的持续发展，乃至人类自身的生存提出严峻的挑战。同时，由于化石类能源的不可再生性，它们将随着人类的不断开发利用日益减少，直至枯竭，可能造成严重的能源危机。因此，世界各国都在积极地探求节能降耗，提高能源利用水平，寻求替代化石类能源的清洁、可再生利用的新能源。

1.核能利用国内外现状及优势

1.1国内外现状

核能是满足能源供应、保证国家安全的重要支柱之一。全球发电总量中，核能发电比例为 10.4%，截至 2019 年 3 月，全球有 449 座商用核动力反应堆在 30 个国家运行，总装机容量达 396 GW，在建核电机组 55 座，在建核电机组装机容量 57 GW。此外，还有大约 240 座研究堆运行在 56 个国家，180 座动力堆为大约 140 艘舰船、潜艇提供着动力。

中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。从核电发展总趋势来看，中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正在执行，当前发展压水堆，中期发展快中子堆，远期发展聚变堆。具体地说就是，铀资源，采用铀钚循环的技术路线，中期发展快中子增殖反应堆核电站;远期发展聚变堆核电站，从而基本上“永远”解决能源需求的矛盾。

“十四五”是我国能源转型、清洁能源发展的关键窗口期，必须转变化石能源为主的发展方式，下决心严控煤电总量、优化布局，大力发展西部北部清洁能源和东中部分布式能源，加快构建特高压输电通道，推动东部、西部同步电网建设，提升电力系统调节能力，根本扭转“一煤独大”格局，以风光水储输联合模式满足新增能源需求，为开启全面建设社会主义现代化国家新征程提供清洁和绿色的能源保障。

中国能源结构仍以煤炭为主体，清洁优质能源的比重偏低。官方正计划调整核电中长期发展规划，加快沿海核电发展，力争2020年核电占电力总装机比例达到百分之五以上。之前在核电规划中，核电比重为百分之四。中国建成和在建的核电站总装机容量为870万千瓦，预计到2010年中国核电装机容量约为2000万千瓦，2020年约为4000万千瓦。到2050年，根据不同部门的估算，中国核电装机容 量可以分为高中低三种方案：高方案为3.6亿千瓦(约占中国电力总装机容量的30%)，中方案为2.4亿千瓦(约占中国电力总装机容量的20%)，低方案为1.2亿千瓦(约占中国电力总装机容量的10%)。

1.2优势

从能源效率的观点来看，直接使用热能是更为理想的一种方式，发电只是核能利用的一种形式。随着技术的发展，尤其是第四代核能系统技术的逐渐成熟和应用，核能有望超脱出仅仅提供电力的角色，通过非电应用如核能制氢、高温工艺热、核能供暖、海水淡化等各种综合利用形式，在确保全球能源和水安全的可持续性发展方面发挥巨大的作用。

核能制氢与化石能源制氢相比具有许多优势，除了降低碳排放之外，由于第四代核反应堆可以提供更高的输出温度，生产氢气的电能消耗也更少。目前，约 20% 的能源消耗用于工艺热应用，高温工艺热在冶金、稠油热采、煤液化等应用市场的开发将很大程度上影响核能发展。用核热取代化石燃料供暖，在保证能源安全、减少碳排放、价格稳定性等方面具有巨大的优势，也是一个重要的选项。目前，全球饮用水需求日益增长，而核能用于海水淡化已被证明是满足该需求的一个可行选择，这为缺少淡水的地区提供了希望。核能海水淡化还可用于核电厂的有效水管理，提供运行和维护所有阶段的定期供水。

2.核能发电

2.1核裂变能发电

目前用于发电的核能主要是核裂变能。核裂变能发电过程与火力发电过程相似，只是核裂变能发电所需的热能不是来自锅炉中化石类燃料的燃烧过程，而是来自置于核反应堆中的核物质在核反应中由重核分裂成两个或两个以上较轻的核所释放出的能量。实现大规模可控核裂变链式反应的装置称为核反应堆。根据核反应堆型式的不同，核裂变能电站可分为轻水堆型、重水堆型及石墨冷气堆型等。轻水堆型采用的是轻水，即普通的水( H2O) 作为慢化剂和冷却剂。

重水堆型则采用重水( D2O) 作为中子慢化剂，重水或轻水作冷却剂。重水堆的特点是可采用天然铀作为燃料，不需浓缩，燃料循环简单，但建造成本比轻水堆要高石墨气冷堆型采用石墨作为中子慢化剂，用气体作冷却剂。由于气冷堆的冷却温度可以较高，因而提高了热力循环的热效率。目前，气冷堆核电机组的热效率可以达到 40% ，相比之下水冷堆核电机组的热效率只有 33% 。

此外，还有正在研究中的快堆，即快中子增殖堆。这种反应堆的最大特点是不用慢化剂，主要使用快中子引发核裂变反应，因此堆芯体积小 、功率大。由于快中子引发核裂变时新生成的中子数较多，可用于核燃料的转化和增殖。特别是采用氦冷却的快堆，其增殖比更大，是第四代核技术发展的重点堆型，也是我国未来核能系统首选堆型之一。

目前世界上的核电站大多数采用轻水堆型。轻水堆又有压水堆和沸水堆之分。据统计，目前已建的核电站中，轻水堆大约占 88% ，其中轻水压水堆占 65%以上，轻水沸水堆仅占 23% 左右。 图 1 为压水堆型核电站和沸水堆型核电站的生产过程示意图。

图 1 核能发电过程示意图

由图 1( a) 可以看出，在沸水堆型核能发电系统 中，水直接被加热至沸腾而变成蒸汽，然后引入汽轮机做功，带动发电机发电。沸水堆型的系统结构比较简单，但由于水是在沸水堆内被加热，其堆芯体积较大，并有可能使放射性物质随蒸汽进入汽轮机，对设备造成放射性污染，使其运行、维护和检修变得复杂和困难。为了避免这个缺点，目前世界上 60% 以上的核电站采用如图 1( b) 所示的压水堆型核能发电系统。与沸水堆系统不同，在压水堆系统中增设了一个蒸汽发生器，从核反应堆中引出的高温水进入蒸汽发生器内，将热量传给另一个独立系统的水，使之加热成高温蒸汽推动汽轮发电机组发电。由于在蒸汽发生器内两个水系统是完全隔离的，所以就不会造成对汽轮机等设备的放射性污染。我国的核电站即以压水堆为主。

核电站的主要优点是可以大量节省煤、石油等日益枯竭的化石燃料。例如 1 kg 的铀裂变所产生的热量相当于 2.7 × 10³ t 标准煤燃烧产生的热量。1 座容量为 500 MW 的火电厂每年要烧 1.5 × 10⁶ t 煤，而相同容量的核电站每年只要消耗 600 kg 的铀燃料，从而避免了大量的燃料运输。虽然核电站的造价比火电厂高，但其长期的燃料费、维护费则比火电厂低，且核电站的规模愈大则生产每度电的投资费用下降愈快。目前世界上核能发电量已达到总电力供应的 16% ，不少国家核电已占总供电量的 30% ，法国高达 80% 。最大的核电站容量已达5300MW，单机容量为1300 MW。我国大亚湾核电站装机容量为2000MW，单机容量为1000MW。在目前我国的年发电量中，核能电量约占2% ，与世界水平还相差甚远。预计到2021年，我国核电运行和在建装机将达到8800万千瓦。发展新能源是实现可持续发展的必然趋势，核电作为低碳能源，是新能源的重要组成部分，是我国未来能源可持续发展的重要基础。

2.2核聚变能发电

研究表明，核聚变反应中每个核子放出的能量比核裂变反应中每个核子放出的能量大约要高 4 倍，因此核聚变能是比核裂变更为巨大的一种能量。太阳能就是氢发生核聚变反应所产生的。核聚变反应也称为热核反应。

核聚变反应所用的燃料是氘和氚，既无毒性，又无放射性，不会产生环境污染和温室效应气体，是最具开发应用前景的清洁能源核聚变燃料氘在海水中大量存在，海水中大约每600 个氢原子就有一个氘原子，因此地球上海水中氘的总量约为 40 万亿 t。海水中所含的氘为 30 mg /L，这些氘完全聚变所释放的聚变能则相当于 300 L 汽油燃烧的能量。从这个意义上说，如果实现了核聚变能的利用，则 1 L 海水就相当于 300 L 汽油。因此海水中提取氘几乎是取之不尽，用之不竭。而核聚变反应所需的另一种原料氚可以由锂制造，地球上锂的存储量约为两千多亿吨，足以满足人类开发利用核聚变能的需要。

此外，据资料介绍，月球上储有丰富的氦－ 3，氘与氦－ 3 的核聚变反应所释放的能量比氘 － 氚核聚变反应释放的能量还要大，而且氘与氦 － 3 的核聚变反应基本上不产生中子，因此可以大大减轻设备材料的辐射损伤，降低感生放射性的水平。人们探测月球、开发月球的意义由此可见一斑。

3.结语

核裂变发电已在核电站中占据了重要地位，并彰显出核电站的巨大优越性。随着科学技术的进步，核电规模会愈来愈大，技术也会愈成熟。核聚变能发电虽然道路艰难曲折，但前景光明，最具发展潜力。可以预见，核能终将可以替代传统的化石类能源，可满足人类长期对能源的需求，从而使我们有足够的时间去开发更为先进的能源，以保障社会经济的可持续发展。未来世界的能源结构将是先后以核裂变能、核聚变能为主角，辅以太阳能、风能、海洋能、地热能、水能和氢能等多元并存的洁净能源新格局。

参考文献

1.江绵恒, 徐洪杰, 戴志敏. 未来先进核裂变能——TMSR核能系统. 中国科学院院刊, 2012, 27(3): 366-374.

2.陈硕翼, 朱卫东, 张丽, 等. 先进超超临界发电技术发展现状与趋势. 科技中国, 2018, (9): 14-17.