什么是核能发电？核能是怎么产生的

核能的开发应用是人类征服自然过程中的重大突破，具有划时代的意义。核能技术是二十世纪五十年代兴起的新能源技术，其形成和发展是人类对物质微观结构及其运动规律的认识的飞跃。核能技术是人类可控地利用原子核的裂变或聚变产生的巨大能量的技术，是自然科学与技术科学相交叉的学科，它综合物理、化学、能源、机械、材料、控制和管理等各种学科的专业知识和技术，并不断推动这些相关学科的发展。核能技术涉及的基本范畴包括核辐射物理与技术、裂变堆工程技术、粒子加速器、核聚变工程技术与等离子体物理学、核燃料与工艺技术、乏燃料后处理技术、核安全、辐射防护技术、放射性三废处理与处置技术、核设施退役、核技术应用等。至今世界上已有商业核反应堆近500座，约占世界总发电量的16%。目前世界核能技术的研究主要包括第二代核能改进技术、第三代核能技术、第四代核能技术、聚变技术、先进燃料循环技术和核能的综合利用技术。

（1）第二代核能改进技术：上世纪60年代后期，在试验性和原型核电机组基础上，陆续建成电功率在30万千瓦以上的压水堆（PWR）、沸水堆（BWR、重水堆（CANDU）和苏联设计的压水堆（VVER）和石墨水冷堆（RBMK）等核电机组，在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明。上世纪70年代，因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展，目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的，称为第二代核电技术。第二代核能改进技术符合核能安全、先进、成熟、和经济的原则，基本上满足“先进轻水堆用户要求”文件（URD）和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”（EUR）的能动(安全系统)压水堆核电站的要求，但是对一些目前尚不成熟的严重事故对策如堆芯熔融物冷却设施可以暂不考虑。

（2）第三代核电技术：上世纪90年代，为解决三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故的负面影响，世界核电界集中力量对严重事故的预防和后果缓解进行了研究和攻关，美国和欧洲先后出台“先进轻水堆用户要求”文件（URD）和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”（EUR），进一步明确了防范与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足这两份文件之一的核电机组称为第三代核电机组。第三代反应堆派生于目前运行中的反应堆。2006年底，中国国与美国签署AP1000的合作及技术转让合作备忘录，2008年基于AP1000技术的浙江三门、山东海阳两个自主化依托项目核岛负挖工程相继提前动工，预计2013年建成；韩国也正在建造两个新的System80+核电站，预期2010年和2011年竣工。

（3）第四代核能技术：第四代核能技术具有良好的经济性、更高的安全性、核燃料资源的持久性、核废物最小化和可靠的防扩散性。目前入选的6种方案中的4种是快中子堆，5种采取闭式燃料循环，并对乏燃料中所含全部锕系元素进行整体再循环。第四代反应堆概念与前几代完全不同，必须以大量的技术进步为前提，对这些技术的研究才刚刚开始。据估计，工业上成熟的第四代核能系统可能在2035年左右开始首批应用。第四代核能技术多数考虑能量的综合利用，采用先进的热循环生产电力，同时生产氢气、海水淡化等工艺热。第四代反应堆的出口温度在550～1000℃，靠近范围低端的SCWR和SFR主要用于发电，高端的VHTR用于氢气生产，中间的GFR、LFR、MSR既可发电又可生产氢。如果真能大部分实现第四代核能的目标，在成本上具有强竞争力，在安全性上被公众接受，那么未来的能源供应格局中将会发生根本性的变化。

（4）核聚变技术：聚变研究的重要里程碑是2005年6月国际热核反应堆(ITER)参与各方(欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国)签订了联合声明，同意在法国Cadarache共同建设ITER。ITER项目金额达100亿美元，仅次于国际空间站的预算。建设时间从2005年开始，预期2015年完成，然后运行21年。ITER计划的成功实施，将全面验证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性，是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步。经过半个多世纪的不懈努力，聚变研究取得了显著进展，目前国际上主要的聚变概念堆电站的设计目标是，基于高参数基础上获得经济性能较好的纯聚变商业应用。（5）燃料循环技术：燃料循环技术包括铀矿的生产和储备、核燃料增殖和再循环、乏燃料的后处理和放射性废物最终处置技术等。采用一次通过循环，目前的铀资源还能够使用300年，如果采用适当的燃料循环(如闭式循环)，通过增殖和再循环最大限度地提取铀中蕴涵的能量，那么同样数量的资源能够使用上万年。美国2002年提出实施先进核燃料循环启动计划(AFCI)，使美国从目前的燃料循环过渡到一个稳定、长期、环保、经济和政治上可接受的先进燃料循环。日本提出了OMEGA计划：从高放废液中分离锕系元素，减少高放废物的毒性，并与欧盟、美国、俄罗斯合作研究“分离-嬗变”技术。法国研究了多种分离流程，完成了多次热实验，开展了快堆嬗变研究，并提出未来第四代燃料循环概念：一次通过，钚的部分再循环，锕系完全再循环，目标是核废物最少化处置、核资源最大化利用及核不扩散。由加拿大，韩国，美国和国际原子能机构合作的在CANDU堆直接使用压水堆乏燃料计划已取得了很大的进展，已经制成了坎杜堆用的回收铀燃料棒束，结果表明CANDU堆可以装载回收铀燃料。

（6）核能的综合利用：核能的综合利用技术主要指核能的工艺热利用技术，比如核能制氢、海水淡化、石油炼制、油页岩加工、天然气重整、煤的，液化和气化等。目前最受关注的是核能制氢和海水淡化。我国在核能利用领域已经形成了基础研究、应用研究和工程研究的完整体系，也形成了较为独立完整的核科技工业体系，成为世界上为数不多的几个拥有完整核科技工业体系的国家之一，在某些关键技术领域还走在了世界前列。在工程设计方面，我国已经具备了30、60万千瓦级压水堆核电站自主设计的能力，基本掌握了百万千瓦级压水堆核电站的设计能力，并以秦山核电站为参考电站，向巴基斯坦出口了恰希玛核电站。在设备制造方面，基本具备国内加工、制造百万千瓦级压水堆核电机组的大部分核岛设备和常规岛主设备的条件。在核燃料循环方面，目前已建立了较为完整的供应保障体系，为核电站安全稳定运行提供了可靠的保障，可以满足目前已投运核电站的燃料需求。在核能技术研发方面，实验快中子增殖堆和高温气冷实验堆等多项关键技术取得了可喜进展，磁约束核聚变基础研究也取得了令世人瞩目的成绩。

核能技术是一个综合性、多元化程度很强的学科，它综合物理、化学、能源、机械、材料、控制和管理等各种学科的专业知识和技术。我国学者在国际期刊上发表的论文数量的比例呈递增趋势，表明我国在核能领域的研究工作正在迅速崛起、活跃程度不断提高，但数量仍偏少，表明我国总体科学研究水平仍有待提高。目前研究前沿集中在：第二代核能改进技术，主要以先进的堆芯设计技术、非能动安全系统研发、数字化仪控系统和模块化设计与建造技术等关键技术为重点研发方向，第二代核能改进技术可以实现我国快速发展核电装机容量的目标。第三代核电技术，通过重大专项的实施，立足于自主开发，结合消化、吸收国际第三代核电技术，掌握国际核电先进技术，建成大型先进压水堆示范工程。加强基础科研投入，积极研发我国自主知识产权的多种防范和缓解严重事故后果的先进的第三代核电技术。第四代核能技术，全面开展第四代反应堆概

念的设计理论研究和试验验证，为建成工业上成熟的第四代核能系统做全面技术准备。核聚变技术，以建设国际热核反应堆(ITER)为目标，全面开展先进托克马克运行模式和稳态燃烧等离子体的科学规律，还将部分验证示范堆的工程技术问题及Z箍缩驱动惯性约束核聚变能源系统研发，将全面验证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性。燃料循环技术，积极开展铀矿勘查、铀浓缩、燃料制造、核燃料循环后端等先进的技术方面的研究。核能的综合利用方面，大力开展核能制氢和海水淡化研究。我国十分重视核能的开发和利用，在国家各层面的规划中都强调了核能战略地位的重

要性。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确提出‘大力发展核能技术，形成核电系统技术自主开发能力’，并将快中子堆技术和核聚变技术作为先进能源的前沿技术，将大规模核能基本技术列为能源可持续发展中的关键科学问题。国家《核电中长期发展规划（2005-2020）》明确提出了“积极推进核电建设”的电力发展基本方针；提出了坚持热中子反应堆—快中子反应堆—受控核聚变堆“三步走”的长期发展战略。2006在党中央国务

院批准发布的《国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020）》中，大型先进压水堆及高温气冷堆核电站被列入16个重大专项之一。在国家高技术研究发展计划（863计划）中，能源领域研制开发三种先进反应堆，它们是快中子堆、高温气冷堆、聚变－裂变混合堆。“核燃料循环与核安全技术”也于2009年列入国家863计划先进能源技术领域重点项目。在国家重点基础研究发展计划（973计划）中，“加速器驱动洁净核能系统的物理技术基础研究”（1999）、嬗变核废料的加速器驱动次临界系统关键技术研究（2007）、“超临界水堆关键科学问题的基础研究”（2007）、“磁约束核聚变若干基础科学问题的研究”（2008）被列入计划。在核聚变方面，我国参加了ITER国际合作计划，与此同时，国家科技部从2009年开始组织实施了ITER计划专项国内配套研究计划。

核能领域近中期支持重点领域：

（一）大型先进压水堆

大型先进压水堆核电站已经列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》重大科技专项，是我国能源领域的重大自主创新项目。研究开发出中国品牌的第三代大型先进压水堆核电站，研究开发出具有自主知识产权的CAP1400、CAP1700高功率大型先进压水堆核电站,建立完善的核电综合设计研究开发平台，具备自主创新能力；并通过示范工程的实施，为中国品牌的大型先进压水堆核电站的标准化、批量化建设奠定坚实的基础。为积极推进核能科学技术进步，需要优先开展一系列的基础研究工作，在制约我国核能开发的科技创新能力持续提高的关键基础科学和技术方面取得重大突破，以形成我国核能开发的

自主创新能力和形成一批具有自主知识产权的核心技术，全面带动和促进核能技术进步，加快核能开发自主创新体系建设步伐。

（二）快堆技术

我国核能发展的总体战略是热中子反应堆—快中子反应堆—聚变反应堆。快中子反应堆是由快中子引发原子核裂变的核反应堆。发展快堆可以有效利用铀资源，嬗变长寿命放射性废物并具有潜在的军事用途。快堆是核能实现可持续发展的重要技术环节，是先进核能系统的主要堆型之一。我国快堆技术研究从上世纪60年代中期起步，目前已进入65 MWt中国实验快堆(CEFR)的工程实践阶段。我国与国外几个发展快堆的主要国家相比有较大差距，从技术水平看，国外有快堆的国家都具备自主研究开发、设计、建造和运行维护能力。而且都建立了完整的研究体系。我国具有一定的研究能力和基础条件，设计还处于学习和实践阶段。我国快堆技术还处于掌握阶段，还没有掌握部分关键技术，关键设备的自主设计和制造能力低。快堆是整个闭式燃料循环体系中的一个环节，需要后处理、燃料制造等环节的技术和条件的配套。因此我国应加大对快堆技术研发的投入，在CEFR的基础上形成全面的快堆技术设计和建造能力，并适时提出下一步工程目标和产业化发展目标。

（三）第四代先进核能技术目前第四代先进核能系统包括最有发展前景的六种反应堆堆型，其中有钠冷快堆（SFR），气冷快堆（GFR），铅冷快堆（LFR），超临界水堆（SCWR），超高温堆（VHTR）和熔盐反应堆（MSR）。我国应该及早全面开展第四代先进核能系统的基础科学和技术的相关研究，早日全面加入到第四代先进核能研究的国际合作，体现核大国的地位。

（四）核聚变堆

1．磁约束核聚变技术

磁约束核聚变研究在世界上已有60年左右的发展历史，由国际上主要核国家参与的、历时十多年、耗资近15亿美元启动的ITER项目，是世界上最大的磁约束托卡马克实验装置，也是迄今为止人类历史上自然科学研究领域中最大的一项国际合作项目，其研究目标是建造商用聚变堆，最终解决人类能源问题。ITER项目将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电站的关键问题。ITER计划的成功实施，将全面验证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性，是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步。经过半个多世纪的不懈努力，聚变研究取得了显著进展，目前国际上主要的聚变概念堆电站的设计目标是，基于高参数基础上获得经济性能较好的纯聚变商业应用，如欧洲的PPCS（Power Plant Conceptual Study）概念电站计划获得5GW的聚变功率，美国ARIES（(Advanced Reactor Innovation and Evaluation Study）系列聚变堆概念均设计为GW级电站。2．惯性约束核聚变技术

惯性约束聚变电站可分为激光、轻离子、重离子、Z箍缩驱动四种类型。Z箍缩驱动惯性约束核聚变能源（IFE）被公认为是一条非常有竞争力的能源路线。随着国际热核聚变实验堆(ITER)项目、激光点火工程的稳步实施和Z-Pinch聚变点火研究的快速进展，实现受控热核聚变的人类世纪梦想越来越趋近现实。利用聚变装置、尤其是重复运行的Z箍缩点火装置驱动次临界裂变包层的混合堆设计，实现聚变-裂变混合供能及核电站乏燃料处理。聚变-裂变混合堆是利用聚变堆芯释放的DT高能中子驱动以天然铀、232Th或经后处理的乏燃料为燃料的次临界裂变包层，实现能量十倍以上的放大，并利用反应中子生产氚以维持聚变堆芯的氚自持。混合堆设计从原理上回避了聚变堆高功率运行的高通量14MeV中子辐照、大量氚消耗等技术难题，并利用快中子谱将可裂变核素转换为易裂变核素、热中子谱将转换得到的易裂变核素就地燃耗。使用的裂变燃料，无论是天然铀、钍还是乏燃料，都无需进行同位素分离，满足核不扩散的要求，并且在次临界状态运行，具有极好的固有核安全性。