核能發(fā)電原理、分類及特征是什么？

清潔、穩(wěn)定、安全、具備基荷能源基礎(chǔ)。

1.核電是雙碳政策下首選清潔能源之一

核電是利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱能進行發(fā)電的方式。在核裂變過程中，快中 子經(jīng)慢化后變?yōu)槁凶樱矒粼雍耍l(fā)生受控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生熱能，生成蒸汽，從 而推動汽輪機運轉(zhuǎn)。核電站與我們常見的火力發(fā)電站一樣，都用蒸汽推動汽輪機做功， 帶動發(fā)電機發(fā)電。 以壓水堆為例對核能發(fā)電的原理進行說明：主要依賴 4 大設(shè)備，核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生 裂變而產(chǎn)生大量熱能，高溫高壓的一回路冷卻水把這些熱能帶出反應(yīng)堆，并在蒸汽發(fā)生 器內(nèi)把熱量傳給二回路的水，使它們變成蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。整個 過程的能量轉(zhuǎn)換是由核能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能轉(zhuǎn)換為機械能，機械能再轉(zhuǎn)換為電能。

一回路：反應(yīng)堆堆芯因核燃料裂變產(chǎn)生巨大的熱能，高溫高壓的冷卻水由主泵泵入 堆芯帶走熱量，然后流經(jīng)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的傳熱 U 型管，通過管壁將熱能傳遞給 U 型 管外的二回路，釋放熱量后又被主泵送回堆芯重新加熱再進入蒸汽發(fā)生器。水這樣 不斷的在密閉的回路內(nèi)循環(huán)，被稱為一回路。

二回路：蒸汽發(fā)生器 U 型管外的二回路水受熱變成蒸汽，蒸汽推動汽輪機發(fā)電機做 功，把熱能轉(zhuǎn)換為電力；做完功后的蒸汽進入冷凝器冷卻，凝結(jié)成水返回蒸汽發(fā)生 器，重新加熱成蒸汽。這個回路循環(huán)被稱為二回路。

核電按照發(fā)電技術(shù)主要分為核裂變與核聚變兩種方式，目前核能發(fā)電利用的是核裂變能。 核裂變是指一個較重的原子核在特定條件下分裂為兩個或多個較輕原子核，同時釋 放大量能量和更多中子的過程。鈾-233、鈾-235 鈾-238 和钚-239 是目前廣泛運用 的裂變反應(yīng)核燃料。核裂變的產(chǎn)物主要是中等元素的原子核以及中子，不產(chǎn)生任何 溫室氣體污染空氣和粉塵。 核聚變反應(yīng)是兩個輕原子核在極高溫度和壓力下結(jié)合成一個更重的原子核，同時釋 放出巨大能量。氘和氚是聚變反應(yīng)的主要核燃料，反應(yīng)結(jié)束后生成氦。從聚變反應(yīng) 機理來看，反應(yīng)只產(chǎn)生惰性氣體氦和中子射線，比裂變反應(yīng)更加清潔。無論是裂變 還是聚變，生成物都沒有二氧化碳，也不含其他會導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體。

核電站主要由核島和常規(guī)島組成。核裂變電站可分為兩部分，一是核島，包括反應(yīng)堆廠 房、輔助廠房、核燃料廠房和應(yīng)急柴油機廠房。二是常規(guī)島，包括汽輪發(fā)電機廠房和海 水泵房。壓水堆核電站主要由核島、常規(guī)島和電站配套設(shè)施（BOP）等組成。核島由核反 應(yīng)堆廠房和核輔助廠房構(gòu)成，其中核反應(yīng)堆廠房的安全殼是核電站的重要安全構(gòu)筑物。 安全殼一般為帶有半圓形頂?shù)膱A柱體鋼筋混凝土建筑，能夠承受地震、臺風(fēng)等各種外部 沖擊，是核電站的第三道安全屏障，確保反應(yīng)堆的放射性物質(zhì)不釋放到外部環(huán)境。

核島設(shè)備制造是核電國產(chǎn)化核心，投資成本過半。核島設(shè)備核心產(chǎn)品技術(shù)難度大、質(zhì)量 要求高、資金投入多等原因?qū)е潞藣u設(shè)備的進入壁壘極高，因此整體成本更高，占比達 58%，且盈利性更高。常規(guī)島設(shè)備由于發(fā)電原理與火電、水電等其他發(fā)電站相似，設(shè)備 具備一定的通用性，因此常規(guī)島設(shè)備的市場競爭程度較高，盈利性較低。輔助系統(tǒng)設(shè)備 市場中民營企業(yè)較多，由于無特殊的技術(shù)要求，技術(shù)壁壘低，市場參與者較多且競爭激 烈，毛利率水平偏低。

各種核電堆型的區(qū)別主要在于反應(yīng)堆的冷卻劑和中子慢化劑的不同。按照冷卻劑的不同 可分為輕水堆（分為沸水堆和壓水堆）、重水堆、氣冷堆等，按照中子慢化劑的有無，可 分為熱中子堆、快中子堆。我國目前核電站采用的堆型有壓水堆、重水堆、高溫氣冷堆 和快中子堆。

壓水堆以普通水作冷卻劑和慢化劑，是目前世界上最普遍的商用堆型。據(jù) IAEA 數(shù)據(jù)， 截至 2024年 5 月 21日，世界 31 個國家在運核電機組共計 441臺，裝機容量 395.87GW。 世界 15 個國家在建核電機組共計 59 臺，裝機容量為 61.64GW。世界 31 國在運 441 臺 核電中，壓水堆 311 臺，裝機容量 297.2GW，占比 75%。世界 15 國在建 59 臺核電中， 壓水堆 51 臺，裝機容量 55.67GW，占比 90%。

2. 核電具備基荷特征，能源轉(zhuǎn)型背景下大有可為

核電是基荷能源，具有持續(xù)穩(wěn)定電力供應(yīng)的能力，可以有效緩解新能源波動對電網(wǎng)的沖 擊。核電與風(fēng)光等新能源互為補充、協(xié)同發(fā)展，可以有效支撐大規(guī)模新能源上網(wǎng)消納， 在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，2060 年 電力系統(tǒng)要實現(xiàn)碳中和，非化石能源發(fā)電占比應(yīng)達到 90%以上，核電發(fā)電量應(yīng)接近 20%。 核電清潔高效，是少有的優(yōu)質(zhì)能源。核電從發(fā)電機理上來講，屬于非化石能源，具備碳 排放量少，清潔性高，安全穩(wěn)定，利用小時數(shù)高等特點。

核電每度電碳排放量在所有能源中最低。根據(jù)國際原子能機構(gòu)（IAEA）發(fā)布的報告 顯示，每生產(chǎn)一千瓦時電力（即一度電），煤炭發(fā)電需要排放 357 克碳當(dāng)量，光伏發(fā) 電需要排放 76.4 克，水力發(fā)電需要排放 64.4 克，風(fēng)能發(fā)電需要排放 13.1 克，核能 只需要排放 5.7 克。在同等能源情況下，核能的高能量密度特性可以釋放更多能力， 而在同等發(fā)電水平下，核能又能排出最少的碳量。

核電技術(shù)成熟，安全性高。我國高度重視核電發(fā)展，將安全性列為首位。核電站在 設(shè)計和建設(shè)的過程中，一般會采用縱深防御來提高其安全性，將放射性物質(zhì)置于多 道屏障之下。同時 2017 年我國發(fā)布了《核安全法》，我國的核安全管理水平，核安 全監(jiān)管能力和核應(yīng)急能力有了進一步的提升。

核電發(fā)電穩(wěn)定性高，利用小時數(shù)長。換料周期在 1 年-1.5 年，這確保了核電擁有更 長的持續(xù)運行時間。2023 年核電利用小時數(shù)為 7670，約為風(fēng)電的 3.45 倍、火電的 1.72 倍、光伏的 5.96 倍。

核能發(fā)電不依賴與自然狀況，原料供應(yīng)充足，可穩(wěn)定供電。風(fēng)力發(fā)電的效率高低取決于 風(fēng)資源的豐富程度，包括場址所在地的風(fēng)速和空氣密度；光伏發(fā)電的效率則由光資源決 定，包括場址所在地的日照時間和日照強度。而天氣不可控的特性，使風(fēng)電和太陽能發(fā) 電的供電能力波動幅度較大。兩者年發(fā)電利用小時遠低于核電。核能發(fā)電以鈾為燃料， 在燃料供應(yīng)充足的情況下，可以穩(wěn)定持續(xù)產(chǎn)電；截至 2021 年 1 月 1 日，開采成本低于 260 美元/kgU 的已查明鈾資源總量為 791.75 萬噸鈾，能夠滿足全球核電中長期發(fā)展的 天然鈾需求。

核電站所受地域限制相比風(fēng)電和太陽能發(fā)電更小，并且單位土地的供電量更大。風(fēng)力發(fā) 電站和光伏發(fā)電站的地址選取主要考慮發(fā)電資源的分布。風(fēng)電站的選址取決于風(fēng)能資源 的分布，一般在高原、山區(qū)、海岸線和開闊的平原等地帶；光伏電站的選址則與光照條 件密切相關(guān)。在光照充足、氣候溫暖的地區(qū)，光伏電站具有較好的適應(yīng)性。目前我國的 核電站雖然大多建設(shè)于沿海地域，但其受自然條件限制較小。此外，核電站的土地利用 效率較高。以風(fēng)電場為例，100 萬千瓦的風(fēng)電場需要占地近 600 平方公里，而我國大亞 灣核電站的發(fā)電功率為近 200 萬千瓦，面積僅為 2 平方公里。在土地資源較為緊張的省 份，建設(shè)核電站是最優(yōu)解。 國內(nèi)外核電需求共振，至 2030 年，預(yù)計國內(nèi)/全球年均新增裝機量達 11/18GW。截 至 2023 年底，我國大陸在運核電機組 55 臺，總裝機容量為 57GW，核準(zhǔn)及在建核電機組 36 臺，總裝機容量為 44 GW；全年核電發(fā)電量 44 萬 GWh，占全國累計發(fā)電量近 5%。 根據(jù)中國核學(xué)會預(yù)測，2030、2035、2050 年核電裝機規(guī)模達到 131GW、169 GW、335GW， 發(fā)電量占比達到 10.0%、13.5%、22.1%；對應(yīng) 2024-2030 年、2031-2035 年、2036- 2050 年均核電新增裝機量達 11、8、7GW。據(jù) IEA 數(shù)據(jù)，2030 年全球核電裝機量達 541GW，則 2024-2030 年年均裝機量達 18GW，CAGR 達 4%。