核能定义

核反应发电被称为核电。核能可以通过核聚变、核裂变和核衰变等核过程产生。目前全球大部分电力都是由使用钚和铀裂变核电站产生的。核衰变过程的应用包括旅行者2号等各种太空探测器中使用的放射性同位素热电发电机。国际研究仍在集中于利用聚变能发电。

几乎所有核电站都使用浓缩铀和单循环燃料的热反应堆。当中子吸收原子的比例达到链式反应无法持续的水平时，燃料就会被移除，这个过程通常需要三年。然后，乏燃料在当地使用的燃料池中冷却一段时间后，被运往长期储存。

乏燃料尽管体积小，但含有大量的放射性物质。尽管其放射性含量呈指数级下降，但仍需要与外界隔离数千年；然而，快堆等新技术有可能显著减少这种情况。由于废燃料中仍含有大量的裂变材料，一些国家（如法国和俄罗斯）会对其乏燃料进行再处理，以分离裂变和增殖成分，用于新燃料。

然而，这个过程比从开采的铀中制造新燃料更昂贵。由于钚-239是核武器的首选材料，并且在每个反应堆中都会少量产生，因此再处理被视为核武器扩散的风险。

第一座核电站于20世纪50年代开始建造。全球核电装机容量在20世纪80年代显著增加，从20世纪70年代末的100吉瓦增加到1990年的300吉瓦。 1979年美国三里岛和1986年前苏联切尔诺贝利发生的悲剧导致核电面临更多的监管和普遍反对。这些因素和高昂的安装成本意味着，到2022年，装机容量仅增加到390吉瓦。

2019年，这些电站产生了2586太瓦时（TWh）的电力，约占全球总发电量的10%，使其成为仅次于水力发电的第二大低碳能源来源。 截至2022年9月，共有447座民用裂变反应堆在运行，总发电量为393吉瓦。其中，57座正在开发中，总容量为62吉瓦，另有102座正在规划中，总容量为96吉瓦。

美国的核反应堆群是最大的，平均容量比例为92%，每年产生约800太瓦时的无污染电力。全球平均容量系数为89%。在亚洲，三代反应堆目前建造最为频繁。

与其他能源相比，核电的每单位能源产出死亡率最低。这些能源中的每一种都因空气污染和事故而导致每单位能源的死亡人数更多：煤炭、石油、天然气和水力发电。核电设施不排放温室气体。核电存在一些风险，包括2011年日本福岛核事故等事故的可能性。

核电的使用正在讨论中。核能被认为是一种可持续、无风险的能源，可以降低碳排放。反核运动认为，核能比其他可持续能源更昂贵且难以实施，并且对人类和环境构成众多风险。

其起源史

1938年，在放射性领域进行了40多年的研究并发展了新的核物理学以解释原子的元素之后，核裂变被发现。 当裂变机制被发现时，人们很快意识到裂变原子核可能导致更多原子核裂变，从而产生自持链式反应。

1939年，当这一发现得到实验证实后，由于世界即将进入第二次世界大战，几个国家的科学家请求他们的政府支持核裂变研究以制造核武器。 1942年12月2日，美国建造的第一个人造核反应堆芝加哥1号堆达到临界，这是这些科学努力的结果。该反应堆的开发是二战期间盟军制造原子弹的曼哈顿计划的一部分。

为了为第一批核武器生产武器级钚，它促使建造了更大的单用途生产反应堆。在1945年7月美国进行第一次核武器试验（即“三位一体”试验）一个月后，广岛和长崎原子弹爆炸。

尽管第一批核武器是军事性质的，但20世纪40年代和50年代的特点是对核能提供廉价和无限能源的能力抱有高度乐观。1951年12月20日，在爱达荷州阿科的EBR-I实验站，核反应堆首次发电，初始输出功率约为100千瓦。

美国总统德怀特·艾森豪威尔在1953年在联合国发表的“原子和平”演讲中强调了开发核能“和平”用途的紧迫性。随后出台了1954年《原子能法》，允许美国反应堆技术迅速解密，并鼓励私营部门的研发。

切尔诺贝利

在20世纪80年代，一个新的核反应堆通常每17天投入运行一次。到20世纪末，全球核电装机容量超过300吉瓦。自20世纪80年代末以来，新增容量的速度急剧下降，到2005年，核电装机容量达到366吉瓦。

1986年苏联切尔诺贝利核电站RBMK反应堆事故改变了核电的开发方式，使其更加重视遵守全球安全和监管指南。清理和相关费用预计为180亿卢布，使其成为历史上伤亡人数最多（56人直接死亡）和经济损失最大的核灾难。

1986年切尔诺贝利悲剧直接促成了世界核电运营者协会（WANO）的成立，这是一个国际组织，致力于提高核设施运营者的安全意识和专业发展。 切尔诺贝利悲剧导致随后几年建造的新电站数量显著减少。

福岛

另一次核灾难推迟了核复兴的可能性。2011年福岛第一核电站悲剧的主要因素是日本东北大地震，这是有史以来最大的地震之一，引发了大海啸。由于电力供应不足导致应急冷却系统失效，福岛第一核电站发生了三次堆芯熔毁。

这导致了切尔诺贝利悲剧以来最重大的核灾难。许多国家因此次悲剧重新审视了其核能和安全政策。

核电站

核电站等热力发电设施利用核裂变产生的热能发电。一般来说，裂变核电站由以下部件组成：核反应堆（发生产生热量的核反应的地方）；冷却系统（从反应堆中去除热量）；蒸汽轮机（将热能转化为机械能）；以及发电机（将机械能转化为电能）。

当一个中子撞击由钚或铀-235原子核组成的原子核时，核裂变就会发生，导致原子核分裂成两个较小的原子核。该反应产生中子和能量。 为了启动新的裂变事件，释放额外的能量和中子，发出的中子可以撞击其他铀或钚原子核。这就是链式反应。

在大多数商用反应堆中，通过捕获多余中子的控制棒来减慢反应速率。由于裂变产生的中子中有一小部分被延迟，因此核反应堆可以受到控制。裂变和中子释放之间的时间间隔会减缓反应速率的变化，并且此间隔也为移动控制棒以调整反应速率提供了时间。

燃料循环

铀矿开采是核燃料生命周期的第一步。为了便于运输铀矿石，它随后被转化为黄饼（U3O8），一种致密的矿石浓缩物形式。裂变反应堆通常需要裂变铀同位素铀-235。铀-235仅占天然铀的0.7%左右。根据反应堆的中子经济性，这种天然铀可用作燃料。这些反应堆通常具有重水或石墨减速剂。

这种浓度不足以用于最普遍的轻水反应堆；因此，需要铀浓缩来提高它。通常，铀被浓缩到3.5-5%的铀-235，用于民用轻水反应堆。然后，铀通常被转化为陶瓷氧化铀（UO2），然后将其压制烧结成燃料丸，堆叠在一起的燃料丸构成具有适合特定反应堆的成分和形状的燃料棒。

由于燃料的裂变材料减少和裂变产物增加，燃料在使用一段时间后最终将变得不切实际。乏燃料现在将被转移到乏燃料池，该池提供热量冷却和电离辐射防护。乏燃料在经过数月或数年的放射性和热量冷却后，可以转移到干式储存容器中或进行再处理。

对环境的影响

核能对环境有益，因为它是一种低碳能源，不需要额外的土地使用。采矿和研磨过程对环境有影响，需要持续大量供水。管理放射性废物相关的风险，例如地下水污染、事故风险以及对废物储存场或后处理和发电厂的各种形式袭击的风险，可能对环境产生最大的潜在负面影响。

这些风险还包括核武器扩散的跨代风险，这可能会增加这些武器未来被使用的可能性。由于历史上很少有核电站灾难记录到相当显著的环境影响，这些仍然主要是风险。

碳排放

核电是目前最受欢迎的低碳发电技术之一，其每单位能源产出的全生命周期温室气体排放量与可再生能源相当或更低。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）2014年对碳足迹文献的审查，核电是所有商业基础负荷能源中嵌入式全生命周期排放强度最低的，中位值为12克二氧化碳当量/千瓦时。

相比之下，燃煤和天然气分别排放820和490克二氧化碳当量/千瓦时。根据研究，截至2021年，与燃煤发电相比，核反应堆已在全球范围内阻止了720亿吨二氧化碳的排放。

辐射

全球每年平均自然背景辐射为2.4毫西弗（mSv/a）。它从1 mSv/a到13 mSv/a不等，主要取决于当地地质。根据联合国（UNSCEAR）的说法，日常核电站运行（包括核燃料循环）导致公众平均暴露量增加0.0002 mSv/a。运行中的核电设施通常向附近当地居民排放的辐射量低于0.0001 mSv/a。

相比之下，居住在燃煤电厂50英里范围内的居民的典型剂量是其三倍多，为0.0003 mSv/a。切尔诺贝利事件导致受影响最严重的当地居民和男性恢复工作者在短时间内（数周）平均初始暴露量为50至100 mSv。

然而，就平均暴露量而言，历史上最严重的核电站事故的全球剩余影响仅为0.002 mSv/a，并且以衰变速度持续下降，从1986年事故发生当年北半球总人口平均每人0.04 mSv的初始高值。

袭击和破坏

恐怖分子可能会袭击核电站，企图用放射性物质污染周边地区。根据美国9/11委员会的说法，核电站最初被考虑为2001年9月11日袭击的潜在目标。鉴于乏燃料池不如反应堆堆芯安全，对其的袭击可能会造成灾难性后果。辐射的释放可能导致大量的短期死亡和大量的长期死亡。

美国核管理委员会（NRC）至少每三年在美国所有核电站地点进行一次“武力对抗”（FOF）演习。在美国，电厂周围设有双排高大的电子监控屏障。大量武装警卫值班，巡逻电厂场地。

由于内部人员可以监控安全措施并找到绕过它们的方法，因此内部破坏是另一个危险。对安全漏洞的观察和理解是内部犯罪成功的关键。1971年，纽约印第安角能源中心发生火灾，造成500万至1000万美元的损失。纵火者是电厂维护人员。