核能发电原理、分类及特征是什么？

清洁、稳定、安全、具备基荷能源基础。

1.核电是双碳政策下首选清洁能源之一

核电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。在核裂变过程中，快中 子经慢化后变为慢中子，撞击原子核，发生受控的链式反应，产生热能，生成蒸汽，从 而推动汽轮机运转。核电站与我们常见的火力发电站一样，都用蒸汽推动汽轮机做功， 带动发电机发电。 以压水堆为例对核能发电的原理进行说明：主要依赖 4 大设备，核燃料在反应堆内发生 裂变而产生大量热能，高温高压的一回路冷却水把这些热能带出反应堆，并在蒸汽发生 器内把热量传给二回路的水，使它们变成蒸汽，蒸汽推动汽轮机带动发电机发电。整个 过程的能量转换是由核能转换为热能，热能转换为机械能，机械能再转换为电能。

一回路：反应堆堆芯因核燃料裂变产生巨大的热能，高温高压的冷却水由主泵泵入 堆芯带走热量，然后流经蒸汽发生器内的传热 U 型管，通过管壁将热能传递给 U 型 管外的二回路，释放热量后又被主泵送回堆芯重新加热再进入蒸汽发生器。水这样 不断的在密闭的回路内循环，被称为一回路。

二回路：蒸汽发生器 U 型管外的二回路水受热变成蒸汽，蒸汽推动汽轮机发电机做 功，把热能转换为电力；做完功后的蒸汽进入冷凝器冷却，凝结成水返回蒸汽发生 器，重新加热成蒸汽。这个回路循环被称为二回路。

核电按照发电技术主要分为核裂变与核聚变两种方式，目前核能发电利用的是核裂变能。 核裂变是指一个较重的原子核在特定条件下分裂为两个或多个较轻原子核，同时释 放大量能量和更多中子的过程。铀-233、铀-235 铀-238 和钚-239 是目前广泛运用 的裂变反应核燃料。核裂变的产物主要是中等元素的原子核以及中子，不产生任何 温室气体污染空气和粉尘。 核聚变反应是两个轻原子核在极高温度和压力下结合成一个更重的原子核，同时释 放出巨大能量。氘和氚是聚变反应的主要核燃料，反应结束后生成氦。从聚变反应 机理来看，反应只产生惰性气体氦和中子射线，比裂变反应更加清洁。无论是裂变 还是聚变，生成物都没有二氧化碳，也不含其他会导致温室效应的气体。

核电站主要由核岛和常规岛组成。核裂变电站可分为两部分，一是核岛，包括反应堆厂 房、辅助厂房、核燃料厂房和应急柴油机厂房。二是常规岛，包括汽轮发电机厂房和海 水泵房。压水堆核电站主要由核岛、常规岛和电站配套设施（BOP）等组成。核岛由核反 应堆厂房和核辅助厂房构成，其中核反应堆厂房的安全壳是核电站的重要安全构筑物。 安全壳一般为带有半圆形顶的圆柱体钢筋混凝土建筑，能够承受地震、台风等各种外部 冲击，是核电站的第三道安全屏障，确保反应堆的放射性物质不释放到外部环境。

核岛设备制造是核电国产化核心，投资成本过半。核岛设备核心产品技术难度大、质量 要求高、资金投入多等原因导致核岛设备的进入壁垒极高，因此整体成本更高，占比达 58%，且盈利性更高。常规岛设备由于发电原理与火电、水电等其他发电站相似，设备 具备一定的通用性，因此常规岛设备的市场竞争程度较高，盈利性较低。辅助系统设备 市场中民营企业较多，由于无特殊的技术要求，技术壁垒低，市场参与者较多且竞争激 烈，毛利率水平偏低。

各种核电堆型的区别主要在于反应堆的冷却剂和中子慢化剂的不同。按照冷却剂的不同 可分为轻水堆（分为沸水堆和压水堆）、重水堆、气冷堆等，按照中子慢化剂的有无，可 分为热中子堆、快中子堆。我国目前核电站采用的堆型有压水堆、重水堆、高温气冷堆 和快中子堆。

压水堆以普通水作冷却剂和慢化剂，是目前世界上最普遍的商用堆型。据 IAEA 数据， 截至 2024年 5 月 21日，世界 31 个国家在运核电机组共计 441台，装机容量 395.87GW。 世界 15 个国家在建核电机组共计 59 台，装机容量为 61.64GW。世界 31 国在运 441 台 核电中，压水堆 311 台，装机容量 297.2GW，占比 75%。世界 15 国在建 59 台核电中， 压水堆 51 台，装机容量 55.67GW，占比 90%。

2. 核电具备基荷特征，能源转型背景下大有可为

核电是基荷能源，具有持续稳定电力供应的能力，可以有效缓解新能源波动对电网的冲 击。核电与风光等新能源互为补充、协同发展，可以有效支撑大规模新能源上网消纳， 在构建以新能源为主体的新型电力系统中发挥更大的作用。据国家能源局数据，2060 年 电力系统要实现碳中和，非化石能源发电占比应达到 90%以上，核电发电量应接近 20%。 核电清洁高效，是少有的优质能源。核电从发电机理上来讲，属于非化石能源，具备碳 排放量少，清洁性高，安全稳定，利用小时数高等特点。

核电每度电碳排放量在所有能源中最低。根据国际原子能机构（IAEA）发布的报告 显示，每生产一千瓦时电力（即一度电），煤炭发电需要排放 357 克碳当量，光伏发 电需要排放 76.4 克，水力发电需要排放 64.4 克，风能发电需要排放 13.1 克，核能 只需要排放 5.7 克。在同等能源情况下，核能的高能量密度特性可以释放更多能力， 而在同等发电水平下，核能又能排出最少的碳量。

核电技术成熟，安全性高。我国高度重视核电发展，将安全性列为首位。核电站在 设计和建设的过程中，一般会采用纵深防御来提高其安全性，将放射性物质置于多 道屏障之下。同时 2017 年我国发布了《核安全法》，我国的核安全管理水平，核安 全监管能力和核应急能力有了进一步的提升。

核电发电稳定性高，利用小时数长。换料周期在 1 年-1.5 年，这确保了核电拥有更 长的持续运行时间。2023 年核电利用小时数为 7670，约为风电的 3.45 倍、火电的 1.72 倍、光伏的 5.96 倍。

核能发电不依赖与自然状况，原料供应充足，可稳定供电。风力发电的效率高低取决于 风资源的丰富程度，包括场址所在地的风速和空气密度；光伏发电的效率则由光资源决 定，包括场址所在地的日照时间和日照强度。而天气不可控的特性，使风电和太阳能发 电的供电能力波动幅度较大。两者年发电利用小时远低于核电。核能发电以铀为燃料， 在燃料供应充足的情况下，可以稳定持续产电；截至 2021 年 1 月 1 日，开采成本低于 260 美元/kgU 的已查明铀资源总量为 791.75 万吨铀，能够满足全球核电中长期发展的 天然铀需求。

核电站所受地域限制相比风电和太阳能发电更小，并且单位土地的供电量更大。风力发 电站和光伏发电站的地址选取主要考虑发电资源的分布。风电站的选址取决于风能资源 的分布，一般在高原、山区、海岸线和开阔的平原等地带；光伏电站的选址则与光照条 件密切相关。在光照充足、气候温暖的地区，光伏电站具有较好的适应性。目前我国的 核电站虽然大多建设于沿海地域，但其受自然条件限制较小。此外，核电站的土地利用 效率较高。以风电场为例，100 万千瓦的风电场需要占地近 600 平方公里，而我国大亚 湾核电站的发电功率为近 200 万千瓦，面积仅为 2 平方公里。在土地资源较为紧张的省 份，建设核电站是最优解。 国内外核电需求共振，至 2030 年，预计国内/全球年均新增装机量达 11/18GW。截 至 2023 年底，我国大陆在运核电机组 55 台，总装机容量为 57GW，核准及在建核电机组 36 台，总装机容量为 44 GW；全年核电发电量 44 万 GWh，占全国累计发电量近 5%。 根据中国核学会预测，2030、2035、2050 年核电装机规模达到 131GW、169 GW、335GW， 发电量占比达到 10.0%、13.5%、22.1%；对应 2024-2030 年、2031-2035 年、2036- 2050 年均核电新增装机量达 11、8、7GW。据 IEA 数据，2030 年全球核电装机量达 541GW，则 2024-2030 年年均装机量达 18GW，CAGR 达 4%。