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本文介绍了从核反应（核能）中获得的能量。关于原子核释放的能量（核能），详见“核能”。

涵涵▼

核电燃料产业链

这是一座位于法国的核电站。水蒸气从双曲面冷却塔中排出。核反应堆位于桶形安全壳建筑内

核能（英文：Nuclear power，又称原子能）利用可控核反应来获取能量，从而获得动力、热能和电能。产生核能的工厂称为核电站，将核能转化为电能的装置包括反应堆和涡轮发电机。核能在反应堆中转化为热能，热能将水变成蒸汽，驱动涡轮发电机发电。

由于核辐射问题以及人类只能控制核裂变，核能尚未得到各国和人民的认可，大多数国家尚未大规模使用。利用核反应获取能量的原理是，当裂变物质（如铀235）在人为控制的条件下发生核裂变时，核能以热能的形式释放出来，这种热能用来驱动蒸汽机。蒸汽机可以直接提供动力，也可以连接发电机产生电能。世界各国军队中的一些潜艇和航空母舰都是由核能提供动力的（主要是美国）。同时，核能每年提供人类获得的所有能源的15.7%。 [1]

目录[隐藏]

1 份申请

2 历史

2.1 起源

2.2 早期

2.3 发展

3 种反应器

3.1 当今技术

3.2 工作原理

3.3 测试技术

4 核燃料循环

4.1 核燃料来源

4.2 固体废物

4.3 后处理

5 经济

5.1 建设所需资金

5.2 补贴

5.3 其他

6 对核能的担忧

6.1 事故或袭击

6.2 对人体健康的影响

6.3 核武器扩散

7 环境影响

7.1 空气污染

7.2 余热

8 国际原子能机构集团名单

9 个脚注

10 参考文献

11 参见

[编辑] 应用

法国核电发电比例非常高。图为法国核电站位置。

美国核电地点

美国每年核能发电量位居世界第一，美国人消耗的电力有20%来自核能。如果以核能占总电能的比例来看，法国位居世界第一。 2006年的一项调查显示，核能满足了法国78%的电力需求。 [2][3]欧盟所需电力的30%来自核反应。 [4] 各国的核能政策各不相同。

核能是一种丰富且用途广泛的能源，如果用它代替化石燃料发电，将减少温室效应。国际上正在进行提高核能安全性的研究，科学家们也在研究受控核聚变和核能的更多用途，例如制氢（氢能也是广泛提倡的清洁能源）、海水淡化和大面积供暖。 1979年的三哩岛核事故和1986年的切尔诺贝利核事故导致美国放缓了建设核电站的步伐。后来，核能的经济和环境效益导致联邦政府重新考虑它。公众也对核电感兴趣，飙升的油价、核电站安全性的提高以及符合《京都议定书》的低温室气体排放量引起了一些有影响力的环保人士的注意。许多核反应堆已经在建设中，并且正在计划建造几种新型核反应堆。

关于核能的利用一直存在争议，因为放射性废物会无限期储存，可能会导致泄漏或爆炸。一些国家可能利用核能制造大量核武器。核电倡导者表示，这些风险很小，技术更先进的新型核反应堆将进一步降低风险。他们还指出，核电厂比其他化石燃料电厂有更好的安全记录，核电产生的放射性废物比燃煤少，而且核电是持续可用的。核电的反对者，包括大多数主要环保组织，认为核电是一种不经济、不合理和危险的能源（特别是与可再生能源相比），他们对新技术能否降低成本持怀疑态度。并且风险也存在争议。有人担心朝鲜和伊朗可能以民用核能的名义发展核武器。朝鲜承认拥有核武器，而伊朗则否认。

[编辑]历史

[编辑]起源

第一个成功的核裂变实验装置于 1938 年由德国科学家 Otto Hahn、Lise Meitner 和 Fritz Strassmann 在柏林建造。

二战期间，一些国家致力于研究核能的利用，首先研究的就是核反应堆。 1942 年 12 月 2 日，恩里科·费米在芝加哥大学建造了第一个完全自主的链式核反应堆。根据他的研究建造的反应堆被用来制造轰炸长崎的原子弹“胖子”。钚。此时，一些国家也在研究核能。他们的研究重点是核武器，但他们也对民用核能进行了研究。

1951年12月20日，人类首次利用核反应堆发电。该核反应堆位于爱达荷州阿科的 EBR-I 实验增殖反应堆中。其初始输出功率为100千瓦。

1952年，帕利委员会（总统材料政策委员会的简称）向时任总统哈里·S·杜鲁门提交了一份报告，报告的结论是核能的前景“相当悲观”，并建议科学家研究太阳能。 [5]

1953年12月，美国总统艾森豪威尔发表“和平需要原子”演讲，促使美国政府开始资助一系列国际核能研究。

[编辑]早年

这就是位于宾夕法尼亚州多克城的“多克城核电站”。它是美国第一座商业运行的核反应堆，于 1957 年开始工作。

1954年6月27日，世界上第一座向电网提供电力的核电站在苏联奥布宁斯克开始运行。 [6] 该反应堆使用石墨控制核反应并用水进行冷却，功率为5兆瓦。世界上第一座商业运行的核反应堆是英国谢菲尔德的考尔德霍尔核反应堆，于1956年开始运行。它有一个Magnox型反应堆，最初的输出功率为50兆瓦，后来增加到200兆瓦。 [7] 宾夕法尼亚州玛丽娜的压水反应堆是美国第一座商业运行的反应堆。

1954年，美国原子能委员会（美国核管理委员会的前身）主席表示，当人们谈论核能时，经常会提到，如果核能得到广泛应用，未来电力将变得非常便宜。事实上，这是错误的。但人们的想法导致美国决定在2000年之前建造1000座核反应堆。 [8]

1955年联合国“第一届日内瓦会议”上，世界上数量最多的科学家齐聚一堂，共同探索核能新领域。 1957年，欧洲原子能共同体（EURATOM）与欧洲经济共同体（现欧盟）一起成立。同年还成立了国际原子能机构（IAEA）。

[编辑]发展

核反应堆的功率迅速增长，从20世纪60年代的不到1GW（吉瓦）到1970年代的100GW，再到1980年代的300GW。 1980年以后，核反应堆的功率增长速度放缓。到2005年，发电量仅上升至366GW，其中大部分来自中国的核能建设。 [9]

这是华盛顿的公共供电系统，其中3号和5号核电站尚未建成就被废弃。

20世纪70年代至80年代，建造核电站的巨额成本（来自政府不断提高的要求和一些反对者诉讼要求的频繁改进）和不断下降的化石燃料价格使得建造核电站变得不经济。太有吸引力了。

20世纪下半叶，一些反核能源运动开始出现。他们关注核事故和辐射，反对核废料的生产、运输和储存。 1979年的三哩岛核事故和1986年的切尔诺贝利核事故成为许多国家停止建设新核电站的关键原因。澳大利亚于1978年、瑞典于1980年、意大利于1987年均就核电站建设问题发起公投，而爱尔兰的核能反对者则成功阻止了该国核能计划的实施。但布鲁金斯学会表示，美国政府尚未批准建设新核电站主要是出于经济原因而非安全考虑。 [10]

[编辑]反应堆的类型

[编辑]当今的技术

核裂变发电机组

目前运行的核反应堆根据裂变方式可分为两大类，每一类根据控制裂变的方式又可分为几个小类：

核裂变反应堆通过受控核裂变获得核能，核燃料以热量的形式释放出来。

目前所有的核电站都采用核裂变反应堆，这也是本段的主要内容。核裂变反应堆的输出功率是可调的。核裂变反应堆还可按代数分类，如第一代、第二代、第三代核反应堆。当今的标准核反应堆是压水反应堆（PWR）。

快中子核反应堆和热中子核反应堆的区别将在后面讨论。一般来说，快中子反应堆产生的核废物较少，其核废物的半衰期也比其他类型的反应堆产生的核废物的半衰期短得多。然而，此类反应堆建造难度大，运行成本高。快中子反应堆也可以用作增殖核反应堆，而热中子反应堆通常不能。

A. 压水堆（PWR）

压水堆炉

反应堆由高压水完全冷却并减慢中子速度（即使在极高的温度下）。大多数运行的反应堆都属于这一类。尽管三哩岛事故涉及该类型反应堆，但该类型反应堆通常被认为是最安全、最可靠的。这是一个热中子核反应堆。该型反应堆应用于中国大陆的秦山核电站一期工程、大亚湾核电站和台湾第三核电站。

B. 沸水反应堆（BWR）

这些反应堆也使用轻水作为冷却剂和慢化剂，但水压比以前的反应堆略低。正因为如此，水可以在这样的反应堆内沸腾，从而使其热效率更高、结构更简单并且可能更安全。缺点是沸水会增加水压，因此放射性水可能会突然泄漏。此类反应堆也占当今运行的反应堆的很大一部分。这是一个热中子核反应堆。台湾第一核电站和第二核电站的反应堆就是这种类型。

C. 加压重水反应堆（PHWR）

这是加拿大设计的反应堆（也称为CANDU），使用高压重水进行冷却和减速。这种反应堆的核燃料不是装在单个压力室中，而是装在数百个压力管道中。这种反应堆采用天然铀作为核燃料，是热中子核反应堆。这种反应堆可以在输出最大功率时添加核燃料，因此可以高效地利用核燃料（因为可以精确控制）并节省浓缩铀的成本；但重水很贵。大多数压水堆位于加拿大，其中一些销往阿根廷、中国、印度（非《不扩散核武器条约》）、巴基斯坦（非《不扩散核武器条约》）、罗马尼亚和韩国。印度在首次核试爆后还运行了多个加压重水核反应​​堆（俗称“CANDU变种”）。中国大陆秦山核电站三期工程的反应堆就是这种类型。

D.石墨轻水核反应堆（RBMK）

石墨轻水核反应堆

这是苏联的设计，在输出电力的同时生产钚。反应堆用水冷却并通过石墨减速。 RBMK型与压水型有一些相似之处，即可以在运行过程中补充核燃料，并且都采用压力管。但与压水式不同的是，这种反应堆不稳定且体积太大，无法安装在有安全壳的建筑物内，非常危险。 RBMK 也存在一些重大安全缺陷，尽管其中一些缺陷在切尔诺贝利事故后得到了纠正。 RBMK型通常被认为是最危险的核反应堆类型之一。切尔诺贝利核电站有四个 RBMK 反应堆。

E.气冷堆（GCR）和先进气冷堆（AGCR）

这种类型的反应堆使用石墨作为慢化剂，二氧化碳作为冷却剂。其运行温度比压水堆高，因此热效率也更高。一部分正在运行的反应堆属于这一类，其中大部分位于英国。较旧的核电站（即 Magnox 型）已经或即将关闭。但先进的气冷核反应堆还将继续运行10到20年。这是一个热中子核反应堆。由于其反应堆堆芯较大，关闭这样一座核电站的成本将会很高。

F.液态金属快中子增殖反应堆（LMFBR）

该反应堆使用液态金属作为冷却剂，没有任何慢化剂，产生的核燃料多于发电时消耗的核燃料。这种反应堆在效率上非常接近压水堆，而且运行压力不需要太高，因为液态金属即使在极高的温度下也不需要加压。法国的超级凤凰核电站和美国的费米一号核电站均采用该型反应堆。 1995年，日本文殊核电站发生液态钠泄漏，预计2008年重新运行。三座核电站均使用液态钠。这是一个快中子反应堆而不是热中子反应堆。液态金属反应器有两种类型：

液铅反应堆

这种反应堆使用液态铅作为冷却剂。铅不仅是一种优良的绝缘辐射材料，而且还可以承受很高的工作温度。此外，铅几乎不吸收中子，因此在冷却过程中损失的中子较少，并且冷却剂不会产生放射性。与钠不同，铅是一种惰性元素，因此不太可能发生事故。但如此大量的铅应用还得考虑毒性问题，而且清理起来也很麻烦。这类反应堆通常使用铅铋共晶合金。在这种情况下，铋会带来一些轻微的放射性问题，因为它吸收少量中子，并且比铅更容易变得具有放射性。

液态钠反应堆

大多数液态金属反应堆都属于这一类。钠很容易获得，并且还可以防止腐蚀。然而，钠与水接触时会剧烈爆炸，因此使用时要小心。即便如此，处理钠爆炸并不比处理压水核反应堆超高温轻水泄漏麻烦。

放射性同位素热发生器通过被动衰变捕获热量。

一些放射性同位素热发生器被用来为太空探测器（例如卡西尼-惠更斯号）、一些苏联灯塔和一些起搏器提供动力。这种发电机产生的热量随着时间的推移逐渐减少，其热能通过热电效应转化为电能。

[编辑]它是如何运作的

一般核电站的关键部件有：

核燃料

反应堆燃料棒

中子慢化剂

冷却液

控制杆

反应堆压力罐

反应堆中心应急冷却系统

反应堆保护系统

蒸汽发生器（沸水反应堆中没有）

安全壳建筑

水泵

涡轮

发电机

冷凝器

一般火力发电厂都有燃料供应来产生热量，例如天然气、煤炭或石油。对于核电站来说，其所需的热量来自于核反应堆中的核裂变。当一个相当大的裂变核（通常是铀235或钚239）受到中子轰击时，它会分裂成两个或更多部分，释放能量和中子。这个过程称为核裂变。从原子核释放的中子继续轰击其他原子核。当这种连锁反应受到控制时，它释放的能量可以用来煮水，产生的蒸汽驱动涡轮机发电。应该记住，核爆炸中发生的是“不受控制”的链式反应，核反应堆中的裂变速率无法达到核爆炸所需的速度。这是因为商业核燃料的浓度不够高。 （参见浓缩铀）

链式反应由吸收或减慢中子的材料控制。在铀燃料反应堆中，中子需要减速，因为慢中子在轰击铀 235 原子核时更容易发生裂变。轻水反应堆使用普通水来减慢中子速度并冷却它们。当水的温度升高到一定水平时，它达到工作温度，并且其密度下降，因此未被吸收的少量中子的速度减慢足以引发新的裂变。负反馈使裂变速率保持在一定水平。

[编辑] 实验技术

其他产生核能的设计，例如德国的 IV 号反应堆，是正在进行的研究项目的主题。他们将来可能会找到实际应用。一些改进的核反应堆使反应堆更清洁、更安全和/或降低扩散核武器的风险。

超临界水冷堆（SCWR）

超临界水冷堆结合了比气冷堆更高的效率和压水堆的安全性，但可能会比这两种反应堆带来更大的技术挑战。在这种类型的反应堆中，水被加热到临界点。超临界水冷堆与沸水堆类似，但超临界水冷堆中的水不会沸腾，因此其热效率比沸水堆高。这是一个超热中子反应堆。

集成快中子反应堆

一体化快中子反应堆于 20 世纪 80 年代建造、测试和评估，随后应克林顿政府的要求于 90 年代被废弃，克林顿政府的政策是防止核武器扩散。这种反应堆可以回收乏核燃料，因此只会产生少量核废料。本段最后的链接是对爱达荷州阿贡国家实验室前主任查尔斯·蒂尔博士的采访，他介绍了一体化快中子反应堆，并解释了其在安全、效率、核废料等几个问题上的优势。各方面的优势。 [11]

球床反应堆 - 这种类型的反应堆使用陶瓷球来封闭核燃料，使其更安全。绝大多数此类反应堆使用氦气作为冷却气体，氦气不会爆炸，不易吸收中子并变得具有放射性，并且不会溶解可能变得具有放射性的材料。典型的设计比轻水反应堆（通常为 3 层）具有更多的安全壳层（通常为 7 层）。其独特之处在于，其燃料球实际上构成了反应堆的核心，并且可以逐个更换，使反应堆更加安全。核燃料的设计使得后处理成本高昂。

SSTAR小型密封可移动自主反应堆是美国最重要的研究项目之一。这是一个相当安全的增殖反应堆。

亚临界反应堆的设计较为安全，但建设中仍存在一定的技术和经济困难。

钍反应堆

在特殊的反应堆中，钍232可以转化为铀233。在这种情况下，比铀更丰富的钍可以用来制造铀233。铀233比铀235有一些优点。它产生更多的中子并产生更少的长半衰期超铀废物。

先进重水反应堆——使用重水作为慢化剂的下一代加压重水核反应​​堆。印度巴巴原子研究中心（BARC）正在对此进行研究。

KAMINI — 一种使用铀 233 作为核燃料的独特反应堆。由巴巴原子研究中心和甘地原子研究中心建造。

印度正在建造一座更大的快速增殖钍反应堆，以将钍用于核能并对其进行控制。

人控核聚变理论上可以提供核能，而且操控过程不像锕系元素那么麻烦，但仍有很多技术问题等待解决。科学家们已经建造了多个聚变反应堆，但迄今为止没有一个产生的能量超过了它们投入的能量。尽管科学家从20世纪50年代起就一直在研究可控核聚变，但普遍认为在2050年之前不会有商业核聚变反应堆投入使用。目前受控核聚变研究的领先者是 ITER。

[编辑]核燃料循环

主条目：核燃料循环

核燃料循环从铀的开采和提纯开始，直到制成核燃料。 (1)核燃料被送往核电站。使用后，剩余燃料被送往后处理厂 (2) 或直接送往垃圾填埋场 (3)。在后处理过程中，剩余的核燃料95%可以被核电站重新利用。 (4)

核燃料——一种致密、惰性、不溶性固体

核反应堆只是核燃料循环的一部分。整个循环从核燃料的提取开始。一般来说，铀矿要么是露天开采的露天矿，要么是原地开采的过滤矿。无论哪种情况，铀矿石都会被提取出来，转化为稳定且致密的形式（例如铀饼），然后送往加工厂。在这里，黄色铀饼被转化为六氟化铀，然后进行纯化。此时，含有0.7%以上铀235的纯化铀将被加工成各种形状和尺寸的燃料棒。这些燃料棒被送往核电站后，将在反应堆中停留约3年。在这3年内，它们将消耗其所含铀的3%。之后，它们将被送往乏燃料池，在这里，一些核裂变产生的半衰期较短的同位素衰变消失。在这里停留五年左右，核燃料的放射性就会降低到安全范围，然后被放入干燥储存容器中永久储存，或者送到后处理厂进行再处理。

[编辑] 核燃料的来源

主条目：铀市场

铀是一种常见的化学元素，在陆地和海洋中随处可见。它和锡一样常见，其储量是黄金的500倍。大多数类型的岩石和土壤都含有铀，尽管浓度极低。如今，经济的铀储存场所的铀浓度至少为 0.1%。按照目前的支出速度，从地球上提取的铀还可以使用50年。在这种情况下，铀价上涨一倍将使核电站的运营成本增加5%。但如果天然气价格翻倍，供应天然气的成本将增加60%。煤炭价格上涨一倍将使煤炭供应成本增加30%。

铀的提纯会产生许多吨的贫铀（DU），其中含有铀238和大部分铀235。铀238具有多种商业应用，例如飞机制造、辐射防护以及制造子弹和装甲，因为它的密度比铅更高。有证据表明，过度接触铀 238 的人，包括坦克乘员和居住在存在大量贫铀地区的人，可能会患病。

如今的轻水反应堆还远远不能充分利用核燃料，从而造成浪费。更高效的反应堆或后处理技术将减少核废料的数量并更好地利用资源。 [12]

与当今使用铀235（天然铀的0.7%）的轻水反应堆不同，快中子增殖反应堆使用铀238（天然铀的99.3%）。据估计，铀 238 可以在核电站中使用 50 亿年。 [13] 增殖技术已在多个反应堆中使用。 [14] 截至2005年12月，目前唯一向外界提供能源的增殖反应堆是俄罗斯别洛亚尔斯克的BN-600。 （BN-600的输出功率为600兆瓦。俄罗斯还计划在别洛亚尔斯克核电站建造另一座反应堆BN-800。）日本的文殊反应堆也准备重新调试（自1995年以来一直在运行）自2007年起关闭），中国和印度也计划建造增殖反应堆。

由钍转化而来的铀233也可用作核裂变燃料。地球上的钍储量是铀储量的三倍，理论上所有钍都可以被开采，使得钍的潜在市场比铀市场更大。 [15]与使用铀238制造钚不同，使用钍制造铀233不需要快中子增殖堆，其在常规增殖堆中的性能已经非常令人满意。

计划中的聚变反应堆的核燃料是氘（氢的同位素），目前的设计也使用锂。以目前人类能源消耗速度来看，地球上开采的锂可以使用3000年，海洋中的锂可以使用6000万年。如果核聚变反应堆仅消耗氘，则可以工作1500亿年。 [16] 相比之下，太阳的寿命只剩下50亿年。地球上碳水化合物生物的寿命只剩下不到20亿年了。

[编辑]固体废物

今天的核电站产生了太多的废物。一座大型核反应堆每年产生3立方米（25-30吨）核废料。 [17]这些核废料主要含有未发生裂变的铀和大量锕系超铀元素（主要是钚和锔）。 3%的核废料是裂变产物。核废料中半衰期长的成分是锕系元素（铀、钚和锔），半衰期短的成分是裂变产物。

核废料具有高放射性，需要特别小心地控制。从核反应堆中新鲜出来的核废料可以在不到一分钟的时间内杀死一个人。然而，核废料的放射性随着时间的推移而降低。四十年后，它的放射性比从反应堆出来时已经降低了99.9%，但它的放射性仍然非常危险。 [12]

核废料的储存和处置是一个巨大的挑战。由于核废料具有放射性，必须贮存在防辐射池（乏燃料池）中，之后一般送至干窖或防辐射干燥容器中贮存，直至其辐射水平降低到可使用的程度。可以进行进一步处理。根据核燃料的类型，这个过程通常需要几年到几十年的时间。美国的大部分核废料目前都存放在短期储存地点，并且正在讨论建立永久储存地点。美国尤加山脉的一个地下储藏室拟成为永久储藏地点。

可以通过多种方式减少核废料的数量，其中最重要的是核燃料后处理。即便如此，剩余的核废料如果不含锕系元素，将在300年内保持高放射性；如果含有锕系元素，则将在数千年内保持高放射性。即使将核废料中的锕系元素全部去除，并利用快中子增殖堆嬗变去除一些半衰期较长的非锕系元素，核废料仍将与外界隔离一百至数百年。年，所以这是一个长期问题。亚临界反应堆和聚变反应堆还可以减少核废料需要储存的时间。 [18]由于科学技术的快速发展，地下填埋是否是处理核废料的最佳方式一直存在争议。今天的核废料在未来可能是有用的资源。

核工业中使用的受污染的工作服、工具、水净化树脂以及一些即将关闭的核电站本身也在产生一些低放射性废物。在美国，美国核管理委员会曾多次尝试让低放废物像普通废物一样处理，如填埋、回收等。许多低放废物的辐射含量极低，因此被认为是无害的。放射性废物仅仅是因为它们的使用历史。例如，根据美国核管理委员会的标准，咖啡也可以被视为低放射性废物。

在使用核能的国家中，整个行业产生的有毒废物的不到1％是放射性废物，但是除非它们衰减到较低的辐射量，否则它们是非常有害的，或者理想情况下，辐射完全消失了。 [12]总体而言，核能行业的浪费远低于化石燃料行业。燃煤工厂尤其会产生大量有毒和放射性废物，因为煤炭中的有害和放射性物质集中在那里。

[编辑]后处理

重新加工可以在用过的核燃料中回收95％的铀和p，并将其转化为新的混合氧化物燃料。这也降低了核废料的长期放射性，因为在重新处理后，剩余的核废料主要是裂变产物，半衰期短，其体积也减少了90％。在英国，法国和（以前的）俄罗斯，民用核燃料产生的废物的回收已被大规模使用。中国即将使用这项技术，印度也可能会使用它，日本应用该技术的规模也在不断扩大。伊朗宣布已成功地重新处理核废料，完成了其核燃料周期，但也提出了美国和国际原子能局的批评。 [19]与其他国家不同，美国不久前禁止对核废料的重新处理；尽管该政策已被废除，但美国大多数二手核燃料仍被视为废物。 [20]