核能發(fā)電(nuclear power)是用鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，并通過(guò)電網(wǎng)輸送給消費(fèi)者。
用核反應(yīng)堆產(chǎn)生核能，需要解決以下4個(gè)問(wèn)題：
?、?為核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)提供必要的條件，使其反應(yīng)得以進(jìn)行;
?、?鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須能由人工通過(guò)一定裝置進(jìn)行控制。失去控制的裂變能不僅不能用于發(fā)電，還會(huì)釀成災(zāi)害;
?、?裂變反應(yīng)產(chǎn)生的能量要能從反應(yīng)堆中安全取出;
?、?裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子和放射性物質(zhì)對(duì)人體危害很大，必須設(shè)法避免。
核能發(fā)電的能量來(lái)自核反應(yīng)堆中的可裂變材料(核燃料)進(jìn)行裂變反應(yīng)所釋放的裂變能。裂變反應(yīng)指鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個(gè)碎片，同時(shí)放出中子和大量能量的過(guò)程。反應(yīng)中，可裂變材料的原子核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變并放出2～3個(gè)中子。若這些中子除去消耗，至少有一個(gè)中子能引起另一個(gè)原子核裂變，使裂變自持地進(jìn)行，這種反應(yīng)稱為“鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)”。實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是核能發(fā)電的前提。
核電站是一種高能量、低耗料的電站，此外，核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)燃燒的過(guò)程中，同時(shí)還能產(chǎn)生出新的核燃料。核電站的基建投資高，但燃料費(fèi)用較低，發(fā)電成本也較低，污染小。
核電站發(fā)電與火力發(fā)電相比，核電的特點(diǎn)是：
?、?核能發(fā)電是清潔能源。核電站不排放有害物質(zhì)，不會(huì)造成“溫室效應(yīng)”。
?、?核能發(fā)電是經(jīng)濟(jì)的能源。雖然核電站的比投資高于燃煤電廠，但由于核燃料的成本低于燃煤成本以及核燃料是長(zhǎng)期起作用等因素，所以目前核電站的總發(fā)電成本低于燃煤電站。
⑶ 核能是可持續(xù)發(fā)展的能源。世界上已探明的鈾儲(chǔ)量約490萬(wàn)噸，釷儲(chǔ)量約275萬(wàn)噸。這些裂變?nèi)剂献銐蚴褂玫骄圩兡軙r(shí)代。
聚變?nèi)剂现饕请弯?。海水中的氘含量?.034克/升，地球上總水量約為1.386×1018m3 ，其中氘的儲(chǔ)量約40萬(wàn)億噸，地球上的鋰儲(chǔ)量約有2000億噸，鋰可用來(lái)制造氚。按目前世界能源的消費(fèi)水平，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。
核能發(fā)電發(fā)展到2030年，進(jìn)入第五代操作系統(tǒng)將會(huì)提供更安全、更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更持續(xù)發(fā)展，見(jiàn)表可以看出，中國(guó)核電站已經(jīng)自主研究開(kāi)發(fā)的，并且已經(jīng)進(jìn)入第四代核電站，操作更加經(jīng)濟(jì)安全，排放廢物更加少。
核電站進(jìn)程
1979年的三哩島核泄漏事故和1986年的切爾諾貝利核事故使美國(guó)放緩了建造核能發(fā)電廠的步伐。后來(lái)，核能在經(jīng)濟(jì)與環(huán)境兩方面的益處使美國(guó)政府又開(kāi)始重新考慮它。公眾也對(duì)核能很感興趣，隨著不斷飆升的油價(jià)，核能發(fā)電廠安全性的提高和符合京都議定書(shū)規(guī)定的低溫室氣體排放量使一些有影響的環(huán)境保護(hù)論者開(kāi)始注意核能。有一些核反應(yīng)堆已處于建造當(dāng)中，幾種新型核反應(yīng)堆也在計(jì)劃之中。
核能是一種儲(chǔ)量充足并被廣泛應(yīng)用的能量來(lái)源。如果用核能取代化石燃料來(lái)發(fā)電的話，溫室效應(yīng)也會(huì)減輕。國(guó)際間正在進(jìn)行對(duì)于改善核能安全性的研究，科學(xué)家們同時(shí)還在研究可控核聚變和核能的更多用途，如制氫(氫能也是一種被廣泛提倡的清潔能源)、海水淡化和大面積供熱。
21世紀(jì)后全球暖化等議題成為關(guān)注焦點(diǎn)，比爾·蓋茨等一群企業(yè)家和科學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為核能是拯救暖化的唯一方案，這類觀點(diǎn)認(rèn)定其他綠能之類方法耗用的土地與單位電費(fèi)太高，不能在全人類經(jīng)濟(jì)不崩潰的前提下終止暖化，蓋茨旗下投資泰拉能源一直研發(fā)第四代反應(yīng)堆兼顧安全性與廉價(jià)巨大電量的終極目標(biāo)。
中國(guó)國(guó)家政策認(rèn)定核能是唯一兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展與抗暖化的巨量電力方案，眾多國(guó)有企業(yè)和民間資本投入研發(fā)，中華人民共和國(guó)核工業(yè)成為21世紀(jì)初期至今全球最大規(guī)模的核能工業(yè)建設(shè)。
中國(guó)目前有2大核電公司：主要經(jīng)營(yíng)北部的中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司和主要經(jīng)營(yíng)中國(guó)南部的中國(guó)廣核集團(tuán)。中國(guó)通過(guò)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)計(jì)劃參與的核聚變反應(yīng)堆的開(kāi)發(fā)，已經(jīng)在合肥構(gòu)建了一個(gè)被稱為先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)的試驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆;以及研究和開(kāi)發(fā)釷燃料循環(huán)作為一個(gè)潛在的核裂變替代方法。
鈾的來(lái)源
鈾在土壤、巖石及河流、海洋都可發(fā)現(xiàn);甚至在人體和食品中都有痕跡量存在。但是濃縮的鈾礦卻只在很少的地方發(fā)現(xiàn)，一般是在堅(jiān)硬的巖石中，如在地殼中占60%的花崗巖中，其鈾含量可達(dá)百萬(wàn)分之四。
自然界中存在的可裂變?cè)刂挥锈?235，而它只占天然鈾中的0.7%，其余均為鈾-238。在核電站中可將一部分鈾-238轉(zhuǎn)變?yōu)轭?239，同樣，也可以將自然界中大量存在的釷-232轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎兊拟?233，因此，估計(jì)核燃料資源時(shí)，必須考慮核燃料增殖這一因素。這樣，核燃料的儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)化石燃料，能長(zhǎng)期滿足核能發(fā)電的需要。
天然鈾的典型濃度
各國(guó)鈾儲(chǔ)量
鈾儲(chǔ)備量是指可供開(kāi)采的鈾資源儲(chǔ)備，不計(jì)同位素。即使不考慮增殖反應(yīng)堆所產(chǎn)生的副產(chǎn)品(例如钚)，鈾儲(chǔ)備量中所蘊(yùn)含的核裂變能量遠(yuǎn)大于地球上所有化石燃料(甚至包括甲烷氣水包合物)的能量之和。有一些元素例如釷可以用來(lái)生成鈾，并且副產(chǎn)品可以用于熱發(fā)電。很多加拿大、格陵蘭、西伯利亞和南極洲的地區(qū)因?yàn)橛谰脙鐾炼鴽](méi)有進(jìn)行勘探，其中可能含有大量未被發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)備。
2011年鈾可采資源量為5327200噸U，2017年增加到6142600噸U。中國(guó)鈾資源勘探從2011年的166100噸U增加到2017年的290 400噸U。
本數(shù)據(jù)是OECD NEA & IAEA于2017年發(fā)布的。此儲(chǔ)量包括可采儲(chǔ)量和推斷儲(chǔ)量。
2017年世界各國(guó)鈾儲(chǔ)量
1945-2018年鈾累積產(chǎn)量
1945-2016年期間的鈾生產(chǎn)可分為四個(gè)不同階段：
?、?1945年至1960年代中期的軍事時(shí)代，核燃料發(fā)電是核軍備競(jìng)賽的附帶條件。上世紀(jì)50年代，為了滿足高濃縮鈾和钚的需求，生產(chǎn)迅速增長(zhǎng)。鈾需求在1960年代急劇下降，作為回應(yīng)，到1960年代中期產(chǎn)量減半。
⑵ 1960年代中期至1980年代中期。隨著反應(yīng)堆訂單的擴(kuò)大，民用核能快速擴(kuò)張的時(shí)期見(jiàn)證了鈾產(chǎn)量的回升。許多新礦山投產(chǎn)，通常由與北美、日本和西歐電力公司簽訂的長(zhǎng)期合同承保。西方的生產(chǎn)在1980年達(dá)到頂峰，直到1985年都保持在年度反應(yīng)堆需求之上。
?、?1980年代中期至2002年左右。到1985年，核建設(shè)計(jì)劃被嚴(yán)重削減。為了建造更多的核電站，許多公用事業(yè)公司已經(jīng)簽署了鈾合同。尊重這些創(chuàng)造了一個(gè)重要的懸置。隨著礦山的枯竭，許多礦山減產(chǎn)或關(guān)閉。公用事業(yè)公司在不依賴新產(chǎn)品的情況下，通過(guò)減少大量庫(kù)存來(lái)滿足要求。由于1993年前蘇聯(lián)的鈾進(jìn)入西方市場(chǎng)，供應(yīng)過(guò)剩的時(shí)間延長(zhǎng)了。
?、?21世紀(jì)初至今。市場(chǎng)對(duì)需要新的初級(jí)生產(chǎn)以促進(jìn)預(yù)期的核增長(zhǎng)復(fù)興的看法作出了強(qiáng)烈反應(yīng)。這是在多年來(lái)一直面臨不利經(jīng)濟(jì)條件、需要抵消不斷減少和有限的二次供應(yīng)的鈾礦部門(mén)的背景下發(fā)生的。這一反應(yīng)始于2003年，當(dāng)時(shí)世界鈾價(jià)格強(qiáng)勁上漲，一直持續(xù)到2007年(2003年初至2007年年中，現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格上漲了13倍)，但隨后進(jìn)入了向下調(diào)整，2011年福島核事故更是加劇了這一趨勢(shì)。自事故發(fā)生以來(lái)，鈾價(jià)格已跌至有史以來(lái)經(jīng)通脹調(diào)整的最低水平之一。
1945-2018年鈾累積產(chǎn)量
2009-2018期間各國(guó)鈾產(chǎn)量
本數(shù)據(jù)是世界核能協(xié)會(huì)(WNA)于 2019年8月份提供的從鈾礦生產(chǎn)(公噸U)的數(shù)據(jù)。
世界約76%從鈾礦生產(chǎn)的鈾是來(lái)自哈薩克斯坦、加拿大、澳大利亞和納米比亞。其中哈薩克斯坦鈾生產(chǎn)占世界的比例最大，供應(yīng)世界的40.6%，其次是加拿大(13.1%)和澳大利亞(12.2%)。中國(guó)鈾產(chǎn)量較少，鈾生產(chǎn)居世界第8位，占世界總量的3.5%。
2009-2018年鈾礦生產(chǎn)(公噸U)
單位換算：68240tU=80472 tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179
鈾礦開(kāi)采法
鈾礦開(kāi)采方法主要有露天開(kāi)采、地下開(kāi)采和原地浸出采鈾三種方法。
⑴ 露天開(kāi)采法。按一定程序先剝離表土和覆蓋巖石，使礦石出露，然后進(jìn)行采礦。此法僅用于埋藏較淺的礦體。
?、?地下開(kāi)采法。通過(guò)掘進(jìn)聯(lián)系地表與礦體的一系列井巷，從礦體中采出礦石。此工藝過(guò)程比較復(fù)雜，在礦床離地表較深的條件下采用這種方法。
⑶ 原地溶浸采鈾法(In situ leach，ISL)。通過(guò)地表鉆孔將化學(xué)藥劑注入礦帶，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)選擇性地溶解礦石中的有用成分—鈾，并將浸出液提取出地表，而不使礦石繞圍巖產(chǎn)生位移。這種采鈾的方法與常規(guī)采礦相比，生產(chǎn)成本低，勞動(dòng)強(qiáng)度小，但其應(yīng)用有一定的局限性，只適用于具有一定地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的礦床。
采礦方法一直在改變。1990年世界55%的產(chǎn)量來(lái)自地下礦山，但到1999年，這一比例急劇下降，當(dāng)時(shí)為33%。從2000年起，加拿大的新礦山又增加了產(chǎn)量。原地溶浸采鈾法(ISL或ISR)采礦在總產(chǎn)量中的份額一直在穩(wěn)步增加，主要是由于哈薩克斯坦，2018年占總產(chǎn)量的一半以上。
2018年鈾礦開(kāi)采法
傳統(tǒng)的鈾礦山有一個(gè)磨礦機(jī)，將礦石粉碎、研磨，然后用硫酸浸出，以溶解鈾氧化物。在常規(guī)礦山的選礦廠或ISL操作的處理廠，鈾在干燥和包裝之前，通常用離子交換以U3O8形式分離。一些磨坊和ISL操作(尤其是在美國(guó))使用碳酸鹽浸出，而不是硫酸，這取決于礦體。用副產(chǎn)品法當(dāng)鈾作為副產(chǎn)品被回收時(shí)，銅或磷酸鹽處理過(guò)程可能會(huì)更復(fù)雜。
鈾生產(chǎn)公司
20世紀(jì)90年代 ，鈾生產(chǎn)行業(yè)通過(guò)收購(gòu)、兼并和關(guān)閉得到了鞏固，但隨著哈薩克斯坦的跨國(guó)所有權(quán)結(jié)構(gòu)，這一行業(yè)再次多樣化。超過(guò)一半的鈾礦生產(chǎn)來(lái)自國(guó)有礦業(yè)公司，其中一些公司將安全供應(yīng)置于市場(chǎng)考慮之上。2018年，全球前十大鈾生產(chǎn)公司銷售了全球87%的鈾產(chǎn)量：
2013～2015年世界鈾生產(chǎn)主要公司
隨著哈薩克斯坦的跨國(guó)所有權(quán)結(jié)構(gòu)再次多元化。超過(guò)一半的鈾礦生產(chǎn)來(lái)自國(guó)有礦業(yè)公司，其中一些公司將安全供應(yīng)置于市場(chǎng)考慮之上，全球總產(chǎn)量約有下降。2018年，全球前十大鈾生產(chǎn)公司銷售了全球80%的鈾產(chǎn)量：
2018年世界鈾生產(chǎn)主要公司
2018年最大的鈾礦山
2018年世界十大鈾礦占據(jù)了全球總產(chǎn)量的51%。雖然加拿大雪茄湖居產(chǎn)量之首，但哈薩克斯坦占了4席。
2018年世界十大鈾礦
核能發(fā)電在各國(guó)電力份額中的比例
本數(shù)據(jù)是世界核能協(xié)會(huì)(World Nuclear Association，WNA)于 2019年8月份提供的數(shù)據(jù)。德國(guó)和日本核能發(fā)電在世界各國(guó)電力中的份額處于逐年下降，而中國(guó)大陸卻上升。
核能發(fā)電在世界各國(guó)電力中的份額(%)
2020年2月全球核反應(yīng)堆及鈾需求
本數(shù)據(jù)是世界核能協(xié)會(huì)(World Nuclear Association，WNA)于 2020年2月份提供的數(shù)據(jù)。
2020年2月全球核反應(yīng)堆及鈾需求
單位換算：68240tU=80472tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179
全球十大核電站
世界上最大的核電站是日本柏崎刈羽核電站，裝機(jī)容量為7965MW，但2011年已經(jīng)停工。值得注意的是韓國(guó)核電站進(jìn)展很快，前十位核電站就占有4席，把美國(guó)和日本都摔到后面。
全球十大核電站
核反應(yīng)堆類型與分布
2018年底全球運(yùn)行的反應(yīng)堆有449座，壓水反應(yīng)堆(PWR)最多，占總量的298/449=66%;其次為沸水反應(yīng)堆(BWR)。
2018年全球運(yùn)行的反應(yīng)堆類型與分布
評(píng)論