核能發電原理、分類及特征是什么？

清潔、穩定、安全、具備基荷能源基礎。

1.核電是雙碳政策下首選清潔能源之一

核電是利用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能進行發電的方式。在核裂變過程中，快中 子經慢化后變為慢中子，撞擊原子核，發生受控的鏈式反應，產生熱能，生成蒸汽，從 而推動汽輪機運轉。核電站與我們常見的火力發電站一樣，都用蒸汽推動汽輪機做功， 帶動發電機發電。 以壓水堆為例對核能發電的原理進行說明：主要依賴 4 大設備，核燃料在反應堆內發生 裂變而產生大量熱能，高溫高壓的一回路冷卻水把這些熱能帶出反應堆，并在蒸汽發生 器內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電機發電。整個 過程的能量轉換是由核能轉換為熱能，熱能轉換為機械能，機械能再轉換為電能。

一回路：反應堆堆芯因核燃料裂變產生巨大的熱能，高溫高壓的冷卻水由主泵泵入 堆芯帶走熱量，然后流經蒸汽發生器內的傳熱 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生器。水這樣 不斷的在密閉的回路內循環，被稱為一回路。

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

核電按照發電技術主要分為核裂變與核聚變兩種方式，目前核能發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 的裂變反應核燃料。核裂變的產物主要是中等元素的原子核以及中子，不產生任何 溫室氣體污染空氣和粉塵。 核聚變反應是兩個輕原子核在極高溫度和壓力下結合成一個更重的原子核，同時釋 放出巨大能量。氘和氚是聚變反應的主要核燃料，反應結束后生成氦。從聚變反應 機理來看，反應只產生惰性氣體氦和中子射線，比裂變反應更加清潔。無論是裂變 還是聚變，生成物都沒有二氧化碳，也不含其他會導致溫室效應的氣體。

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

核島設備制造是核電國產化核心，投資成本過半。核島設備核心產品技術難度大、質量 要求高、資金投入多等原因導致核島設備的進入壁壘極高，因此整體成本更高，占比達 58%，且盈利性更高。常規島設備由于發電原理與火電、水電等其他發電站相似，設備 具備一定的通用性，因此常規島設備的市場競爭程度較高，盈利性較低。輔助系統設備 市場中民營企業較多，由于無特殊的技術要求，技術壁壘低，市場參與者較多且競爭激 烈，毛利率水平偏低。

各種核電堆型的區別主要在于反應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 IAEA 數據， 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，能源轉型背景下大有可為

核電是基荷能源，具有持續穩定電力供應的能力，可以有效緩解新能源波動對電網的沖 擊。核電與風光等新能源互為補充、協同發展，可以有效支撐大規模新能源上網消納， 在構建以新能源為主體的新型電力系統中發揮更大的作用。據國家能源局數據，2060 年 電力系統要實現碳中和，非化石能源發電占比應達到 90%以上，核電發電量應接近 20%。 核電清潔高效，是少有的優質能源。核電從發電機理上來講，屬于非化石能源，具備碳 排放量少，清潔性高，安全穩定，利用小時數高等特點。

核電每度電碳排放量在所有能源中最低。根據國際原子能機構（IAEA）發布的報告 顯示，每生產一千瓦時電力（即一度電），煤炭發電需要排放 357 克碳當量，光伏發 電需要排放 76.4 克，水力發電需要排放 64.4 克，風能發電需要排放 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， 而在同等發電水平下，核能又能排出最少的碳量。

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

核電發電穩定性高，利用小時數長。換料周期在 1 年-1.5 年，這確保了核電擁有更 長的持續運行時間。2023 年核電利用小時數為 7670，約為風電的 3.45 倍、火電的 1.72 倍、光伏的 5.96 倍。

核能發電不依賴與自然狀況，原料供應充足，可穩定供電。風力發電的效率高低取決于 風資源的豐富程度，包括場址所在地的風速和空氣密度；光伏發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，使風電和太陽能發 電的供電能力波動幅度較大。兩者年發電利用小時遠低于核電。核能發電以鈾為燃料， 在燃料供應充足的情況下，可以穩定持續產電；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展的 天然鈾需求。

核電站所受地域限制相比風電和太陽能發電更小，并且單位土地的供電量更大。風力發 電站和光伏發電站的地址選取主要考慮發電資源的分布。風電站的選址取決于風能資源 的分布，一般在高原、山區、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。在光照充足、氣候溫暖的地區，光伏電站具有較好的適應性。目前我國的 核電站雖然大多建設于沿海地域，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。以風電場為例，100 萬千瓦的風電場需要占地近 600 平方公里，而我國大亞 灣核電站的發電功率為近 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，建設核電站是最優解。 國內外核電需求共振，至 2030 年，預計國內/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，核準及在建核電機組 36 臺，總裝機容量為 44 GW；全年核電發電量 44 萬 GWh，占全國累計發電量近 5%。 根據中國核學會預測，2030、2035、2050 年核電裝機規模達到 131GW、169 GW、335GW， 發電量占比達到 10.0%、13.5%、22.1%；對應 2024-2030 年、2031-2035 年、2036- 2050 年均核電新增裝機量達 11、8、7GW。據 IEA 數據，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%。