電力是現代生產、生活的基礎，發電有多種方式，如水力發電、火力發電、抽水蓄能發電、潮汐發電、太陽能發電等，其中核能發電提供了全世界約20% 的電力，避免了大約 25 億噸 CO 2的排放。因此為可持續電力供應做出了重大貢獻。核能發電的主要原理是什么，人們如何利用核能發電的呢？
一、核能是如何產生的
世界上的每一種物質都處于不穩定狀態，有時會通過分裂或合成，變成另外一種物質。物質無論是分裂或合成，都會產生能量，這種能量稱核能，也稱原子能。其主要原理是愛因斯坦的質能方程E=m*c^2。當原子核發生裂變或者聚變時，有一部分質量轉化為能量釋放出來，而且只要微量的質量就可以轉化成巨大的能量。
(1)裂變：將一個質量較大的原子核，分裂成兩個質量較小的原子核。原子彈就是利用了裂變的原理。
(2)聚變：兩個輕原子核結合形成一個更重、更穩定的原子核，如兩個氫原子合為一個氦原子。太陽就是通過聚變而產生能量。
二、如何利用核能發電
愛因斯坦曾說：“Nuclear power is a hell of a way to boil water.”。核能發電的主要原理，是通過裂變的核鏈式反應，產生大量熱量。這些熱量被用來產生蒸汽，使渦輪機旋轉以產生電能。
三、核電廠的構成
如圖所示，核電廠由密封腔（安全殼）、反應堆、蒸汽輪機、冷凝器等構成。其中，反應堆由反應核、鈾管、控制棒等構成。密封腔的安全殼結構在至少要有3英尺厚的混凝土。
核電廠構成
核電廠構成
（1）核反應堆
核反應堆用于產生熱量，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，釋放中子用于鏈式反應，核裂變鏈式反應以熱的形式釋放能量。
（2）燃料棒
反應堆使用鈾作為核燃料。鈾混合物粉末燒結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，幾百個燃料棒集成在一起形成燃料組件。根據需要的電量，反應堆堆芯通常由幾百個組件組成。
燃料棒
在反應堆容器內，當燃料棒浸入水中時，水既充當冷卻劑又充當減速劑。減速劑有助于減緩裂變產生的中子，以維持鏈式反應。
當控制棒插入反應堆堆芯時，可以吸收路子，降低反應速度；如將其取出，可以提高反應速度。裂變產生的熱量將水變成蒸汽，蒸汽帶動渦輪機產生電力。
福島核電事件，是由于地震發生后，反應堆控制棒無法落入堆芯而產生了大量熱量，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堆產生的熱量將水轉化為蒸汽。這些蒸汽被送入汽輪機并在冷凝器中冷凝。
（4）冷凝器
用不完的蒸汽，將進入冷凝器，蒸汽在冷凝器中冷卻返回液態。由于需要大量的冷水，這也是核電廠通常建設在海邊的原因。
（5）蒸汽輪機和發電機
汽輪機由蒸汽失去旋轉而運行發電機或交流發電機，該發電機組與蒸汽輪機相連，從而產生電能。
四、核電控制系統
為了使核電系統能夠正常運行，通常需要控制堆芯的功率以及壓力、流量、溫度和熱傳輸系統參數。
核電站控制包括反應堆控制系統、安全保護系統（反應堆停堆系統、工程安全設施運行系統），以及汽輪發電機系統和輔助系統。
反應堆控制系統用于功率控制、冷卻劑（減速劑）及溫度/壓力控制、減速劑量（反應堆水位）控制。
控制反應堆功率的基本操縱變量是反應性。反應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。功率控制通過調整控制棒位置和反應堆的再循環流量來實現的。此外，電力輸出控制時，可根據電力系統負荷需求，先調節反應堆輸出，再調節汽輪發電機輸出。
核電控制系統
五、核能發電的優缺點
1.優點
（1）高效，其效率可達91%。
（2）節省燃料，用少量燃料就可以產生高能量，比火力發電節省煤。
（3）低溫室氣體排放，因此不會導致全球變暖或酸雨，在碳中和、碳達峰的背景下，更有優勢。
（4）低污染
（5）不像水力發電那樣，受氣候影響。
（6）價格便宜。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，不用再建鍋爐，可以直接利用核電產生的余熱。
2.缺點
（1）危險廢物的儲存和處置。比如，核電站的放射性廢物钚-239半衰期長達2.41萬年！
（3）恐怖分子如果襲擊核電站，后果不堪設想。
（4）高啟動成本和關閉費用，每年需要花一定的時間來進行安全檢修。
（5）一但出事，將導致核泄露、熔化的危險。
如果管理不善或者發生故障，將產生突發災難。如美國的三里島（Three Mile Island）核電站、前蘇聯的切爾諾貝利核電站，日本的福島核電站，都是典型的例子。
