電力是現(xiàn)代生產(chǎn)、生活的基礎(chǔ)，發(fā)電有多種方式，如水力發(fā)電、火力發(fā)電、抽水蓄能發(fā)電、潮汐發(fā)電、太陽能發(fā)電等，其中核能發(fā)電提供了全世界約20% 的電力，避免了大約 25 億噸 CO 2的排放。因此為可持續(xù)電力供應(yīng)做出了重大貢獻(xiàn)。核能發(fā)電的主要原理是什么，人們?nèi)绾卫煤四馨l(fā)電的呢？
一、核能是如何產(chǎn)生的
世界上的每一種物質(zhì)都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有時(shí)會通過分裂或合成，變成另外一種物質(zhì)。物質(zhì)無論是分裂或合成，都會產(chǎn)生能量，這種能量稱核能，也稱原子能。其主要原理是愛因斯坦的質(zhì)能方程E=m*c^2。當(dāng)原子核發(fā)生裂變或者聚變時(shí)，有一部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量釋放出來，而且只要微量的質(zhì)量就可以轉(zhuǎn)化成巨大的能量。
(1)裂變：將一個(gè)質(zhì)量較大的原子核，分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核。原子彈就是利用了裂變的原理。
(2)聚變：兩個(gè)輕原子核結(jié)合形成一個(gè)更重、更穩(wěn)定的原子核，如兩個(gè)氫原子合為一個(gè)氦原子。太陽就是通過聚變而產(chǎn)生能量。
二、如何利用核能發(fā)電
愛因斯坦曾說：“Nuclear power is a hell of a way to boil water.”。核能發(fā)電的主要原理，是通過裂變的核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生大量熱量。這些熱量被用來產(chǎn)生蒸汽，使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電能。
三、核電廠的構(gòu)成
如圖所示，核電廠由密封腔（安全殼）、反應(yīng)堆、蒸汽輪機(jī)、冷凝器等構(gòu)成。其中，反應(yīng)堆由反應(yīng)核、鈾管、控制棒等構(gòu)成。密封腔的安全殼結(jié)構(gòu)在至少要有3英尺厚的混凝土。
核電廠構(gòu)成
核電廠構(gòu)成
（1）核反應(yīng)堆
核反應(yīng)堆用于產(chǎn)生熱量，是核電站的心臟。其主要功能是容納和控制核裂變。核電站使用的燃料是放射性元素鈾的同位素，U-235裂變將核分裂成兩塊，釋放中子用于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以熱的形式釋放能量。
（2）燃料棒
反應(yīng)堆使用鈾作為核燃料。鈾混合物粉末燒結(jié)成的二氧化鈾陶瓷芯塊，然后堆疊成密封的金屬管，稱為燃料棒。通常，幾百個(gè)燃料棒集成在一起形成燃料組件。根據(jù)需要的電量，反應(yīng)堆堆芯通常由幾百個(gè)組件組成。
燃料棒
在反應(yīng)堆容器內(nèi)，當(dāng)燃料棒浸入水中時(shí)，水既充當(dāng)冷卻劑又充當(dāng)減速劑。減速劑有助于減緩裂變產(chǎn)生的中子，以維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
當(dāng)控制棒插入反應(yīng)堆堆芯時(shí)，可以吸收路子，降低反應(yīng)速度；如將其取出，可以提高反應(yīng)速度。裂變產(chǎn)生的熱量將水變成蒸汽，蒸汽帶動渦輪機(jī)產(chǎn)生電力。
福島核電事件，是由于地震發(fā)生后，反應(yīng)堆控制棒無法落入堆芯而產(chǎn)生了大量熱量，但用于抽冷卻水的泵，又由于海嘯停電而失去作用，反應(yīng)堆失去控制而使堆芯熔化。
福島核電事故，靠外部噴水降溫
(3)熱交換器
熱交換器利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量將水轉(zhuǎn)化為蒸汽。這些蒸汽被送入汽輪機(jī)并在冷凝器中冷凝。
（4）冷凝器
用不完的蒸汽，將進(jìn)入冷凝器，蒸汽在冷凝器中冷卻返回液態(tài)。由于需要大量的冷水，這也是核電廠通常建設(shè)在海邊的原因。
（5）蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)
汽輪機(jī)由蒸汽失去旋轉(zhuǎn)而運(yùn)行發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)組與蒸汽輪機(jī)相連，從而產(chǎn)生電能。
四、核電控制系統(tǒng)
為了使核電系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，通常需要控制堆芯的功率以及壓力、流量、溫度和熱傳輸系統(tǒng)參數(shù)。
核電站控制包括反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)（反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)、工程安全設(shè)施運(yùn)行系統(tǒng)），以及汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。
反應(yīng)堆控制系統(tǒng)用于功率控制、冷卻劑（減速劑）及溫度/壓力控制、減速劑量（反應(yīng)堆水位）控制。
控制反應(yīng)堆功率的基本操縱變量是反應(yīng)性。反應(yīng)性隨控制棒的插拔而變化，也隨冷卻劑溫度（密度）、燃料溫度和空隙體積而變化。功率控制通過調(diào)整控制棒位置和反應(yīng)堆的再循環(huán)流量來實(shí)現(xiàn)的。此外，電力輸出控制時(shí)，可根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷需求，先調(diào)節(jié)反應(yīng)堆輸出，再調(diào)節(jié)汽輪發(fā)電機(jī)輸出。
核電控制系統(tǒng)
五、核能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)
1.優(yōu)點(diǎn)
（1）高效，其效率可達(dá)91%。
（2）節(jié)省燃料，用少量燃料就可以產(chǎn)生高能量，比火力發(fā)電節(jié)省煤。
（3）低溫室氣體排放，因此不會導(dǎo)致全球變暖或酸雨，在碳中和、碳達(dá)峰的背景下，更有優(yōu)勢。
（4）低污染
（5）不像水力發(fā)電那樣，受氣候影響。
（6）價(jià)格便宜。比水電以外的其他能源更便宜
（7）熱能可以供暖，如北方供暖系統(tǒng)，不用再建鍋爐，可以直接利用核電產(chǎn)生的余熱。
2.缺點(diǎn)
（1）危險(xiǎn)廢物的儲存和處置。比如，核電站的放射性廢物钚-239半衰期長達(dá)2.41萬年！
（3）恐怖分子如果襲擊核電站，后果不堪設(shè)想。
（4）高啟動成本和關(guān)閉費(fèi)用，每年需要花一定的時(shí)間來進(jìn)行安全檢修。
（5）一但出事，將導(dǎo)致核泄露、熔化的危險(xiǎn)。
如果管理不善或者發(fā)生故障，將產(chǎn)生突發(fā)災(zāi)難。如美國的三里島（Three Mile Island）核電站、前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站，日本的福島核電站，都是典型的例子。
