核电站是怎样发电的?有哪些科学原理?
中国大陆的第一个商业核电站是秦山核电站。秦山核电站一期工程于1985年开始建设,这可能比本文的大多数读者大几岁。它花了六年时间完成,并已并网超过30年。今天,商业核电站主要分布在沿海地区。对于许多人来说,核电站仍然是一个谜。让我用尽可能简单的语言来解释核电站的原理。核电站本质上是一个发电站,它生产单一产品,即电能,这需要一个发电机。因此,每个核电站都有一个发电机,这与普通电站的原理相同,也就是电磁感应定律。
核电是一种可再生的能源。轻核的聚变和重核的分裂都可以释放能量,分别称为核聚变能和核裂变能。在聚变或裂变过程中,会释放出大量的热量。这些能量被转化为核能、机械能和电能,可称为核电。核电站是一种新型的发电站,利用原子核内所含的能量来发电。核电站大致可分为两部分,一部分是利用核能产生蒸汽的岛,包括反应堆设备和一次回路系统;另一部分是利用蒸汽发电的常规岛,包括涡轮发电机系统。
核电站使用铀作为燃料。铀是一种重金属。由铀制成的核燃料在一个被称为反应堆的装置中分裂,产生大量的热量,这些热量由高压下的水进行,蒸汽在蒸汽发生器中产生,用发电机转动涡轮机,电力不断产生并通过电网向各个方向输送。这就是最常见的压水式反应堆核电站的工作方式。
核能来自两种核反应原理:核聚变或核裂变,但世界各地的核反应堆主要使用核裂变反应原理,主要是因为核裂变是可控的,而核聚变则难以控制。自1951年12月美国的EXPERIMENTAL增殖反应堆1号。使用核电以来,世界上的核电已经有70多年的历史。根据计算,1公斤铀235完全裂变产生的能量相当于2500吨标准煤燃烧释放的热量。核裂变原理:质量如铀、钍和钚的较大原子核吸收一个中子后在质量上会分裂成两个或多个较小的原子核,同时发出两个或三个中子和大量能量,并使其他核裂变发生,然后继续进行,这个过程称为连锁反应。当核裂变发生时,原子核释放出巨大的能量,这被称为原子核能量。核电装置利用所产生的热量,产生蒸汽来驱动涡轮发电机组,产生电力。
核能不是可再生能源,核能(或称原子能)是通过核反应从原子核释放的能量,符合阿尔伯特·爱因斯坦的质能方程E=mc²,其中E=能量,m=质量,c=光速。核能是人类历史上的一项伟大发现。
核能原理
核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片,同时放出中子和大量能量的过程。反应中,可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗,至少有一个中子能引起另一个原子核裂变,使裂变自持地进行,则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。
核能优点1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中,因此核能发电不会造成空气污染。
2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。
3.核能发电所使用的铀燃料,除了发电外,暂时没有其他的用途。
4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍,故核能电厂所使用的燃料体积小,运输与储存都很方便,一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料,一航次的飞机就可以完成运送。
5.核能发电的成本中,燃料费用所占的比例较低,核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响,故发电成本较其他发电方法为稳定。
6.核能发电实际上是最安全的电力生产方式.相比较而言,在煤炭、石油和天然气的开采过程中,爆炸和坍塌事故已杀死了成千上万的从业者。
无污染能源主要是太阳辐射能、风力、水力、地热、氢燃料、生物能以及海洋波浪、海流、海水温差、潮汐等能源。这些能源都蕴藏着巨大的能量,并逐步被开发利用。太阳每年辐射到地球上的总能量达6.0×1017千瓦小时。太阳能可以转换成热能、电能和化学能。马里共和国于1979年建成迪雷太阳能热电站,装机容量75千瓦。美国、日本、苏联、希腊等国也建有不同类型的太阳能电站。太阳能转化为热能使用较常见,利比亚约有三分之一居民用太阳灶,中国许多地方已采用太阳能供热。
在风力和水力方面,中国在2~3千年前就开始用风力和水力进行粮食加工,现在主要是把它们转换成电力使用。如1979年在浙江省泗礁岛上安装了容量18千瓦的风力发电装置;内蒙古草原上已先后装置了200多台100~250瓦的小型风力发电机组。苏联在1931年就建成了装机容量 100千瓦的风力发电装置。80年代初世界能源结构中,水力占 6%。中国水力资源蕴藏量居世界第一位。据1979年统计,中国已建成大型和小型水电站九万多座,装机容量634万千瓦。
地热利用方面,自意大利于1904年首先利用地热发电以来,中国、美国、菲律宾、苏联、日本、新西兰、墨西哥等国都建造了地热电站。1980年,各国地热电站总功率已达 380万千瓦,美国地热电站总装机容量达86万千瓦,单机容量达11万千瓦。中国至1979年先后建成7 座地热电站,西藏羊八井地热电站单机容量约7000千瓦。干热岩能源是地热能源的一部分,目前正在研究它的利用问题。有的地下热水和蒸汽含有硫化氢等有害物质,但和矿物燃料相比,有害物质较少。
在海洋能源利用方面,海洋蕴藏着巨大的能量,据估计,中国沿海年潮汐能有1.1亿千瓦,可利用的有3100~3500万千瓦。截至1979年底,中国建成 4座较大的潮汐电站,其中浙江省江厦电站装机容量3000千瓦。法国1966年建成一座功率为24万千瓦的潮汐电站。波浪发电装置,目前世界各国已有400多种。海水温差发电装置的容量已达到10万千瓦。
此外,氢是含能量很高的无污染燃料,是由其他能源制造的二次能源。它燃烧时和氧化合成水,不产生污染物。生物能是绿色植物通过光合作用固定的太阳能,可转化为气体或液体燃料,如用甘蔗、木薯、甜高粱生产酒精。
海底天然气水合物作为 21 世纪的重要后续能源,及其对人类生存环境及海底工程设施的灾害影响,正日益引起科学家们和世界各国政府的关注。本世纪六十年代开始的深海钻探计划 (DSDP) 和随后的大洋钻探计划 (ODP) 在世界各大洋与海域有计划地进行了大量的深海钻探和海洋地质地球物理勘查,在多处海底直接或间接地发现了天然气水合物。到目前为止,世界上海底天然气水合物已发现的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等,西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等,东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等,印度洋的阿曼海湾,南极的罗斯海和威德尔海,北极的巴伦支海和波弗特海,以及大陆内的黑海与里海等。
无污染能源中,除水力的利用技术较为成熟外,其他几种能源在开发和利用上还存在着技术上的困难。矿物燃料贮量有限,而且在燃烧时排出大量污染物质,所以,无污染和少污染能源在能源总结构中将占越来越重要的地位。
从定义上可再生能源为来自大自然的资源,是取之不尽,用之不竭的能源,会自动再生,是相对于会穷尽的不可再生能源的一种能源。
可再生能源具有以下特点:
1.它从地球气候或地质的现有的持续过程中收集能量;
2.这不会以任何方式耗尽该过程,或者必须通过人类存在时间范围内的外部输入来更新能量;
3.不会因为获取能量而对生物或气候系统造成特别的影响。
基于以上几个特点,风能、太阳能、水能和地热能都毫无疑问地属于可再生能源,在从高压系统到低压系统的空气运动中,风能只吸收了巨大能量的一小部分(按照贝兹定律,极限是59%)。风来自于太阳的照射和地球的旋转,风力发电机不会影响风能的产生。太阳能也是如此,太阳能光伏获取能量不会影响太阳能的产生,虽然太阳有寿命,但这是远大于“人类存在时间范围”。水力发电利用的是水在落差下产生的势能,水循环来自于太阳能与风能,太阳能使得水蒸发,风将水蒸气输送到高处形成降雨,水能不会影响到这一过程。相比之下,目前人类认为化石燃料的形成需要很长的时间,例如许多煤炭的形成可以追溯到石炭纪,这个过程显然超过了“人类存在时间范围”,因此我们认为化石燃料是有限的,属于不可再生资源。
而核能,现在的普遍观点认为核能不属于可再生能源,目前核电站的原理无一例外都是核裂变的,核电站同样需要核燃料来发电,核燃料所需要的铀矿等依然属于矿石资源,属于不可再生。
尽管可再生能源有很明显的优点,但他们仍然有缺点,主要体现在以下几个方面:
1.间歇性:很多可再生能源都存在间歇性的问题,比如风能,全年的风速一定是变化的,不可能维持在一个稳定的数值,因此风能产生的电力也是不定的,太阳能也是如此,首先晚上没有太阳,其次随着天气季节的变化,太阳辐射的强度也是变化的,水能同样要面临着枯水期和涨水期的问题,水位的高低会影响水力发电。此外还需要考虑极端天气的影响,例如:台风和洪水。由此也引出了下一个问题。
2.存储:化石能源不太需要考虑储能的问题,因为能量都储存在化石燃料里,而可再生能源则需要通过储能来解决这一问题。目前比较好的储能方式都需要可再生能源与化石能源结合使用,这样不能解决根本的问题。
3.分布性:虽然世界上各个国家和地区化石燃料的分布也有差异,但是可以通过贸易和运输来解决,可再生能源则存在很大的先天性,毕竟风力,太阳辐射,地热和潮汐这些肯定无法交易和运输。
4.技术与成本:尽管很多可再生能源是免费的,例如太阳能和风能,但是获取这些能源的设备同样需要成本,而且这些设备同样还需要维护成本。与此同时,涉及可再生能源的技术难度也大于已经成熟的化石能源,在很多发展中国家,同样难以推行。
故答案为:电能;不可再生;核裂.
二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源,包括电能、汽油、柴油、液化石油气和氢能等。二次能源又可以分为“过程性能源”和“含能体能源”,电能就是应用最广的过程性能源,而汽油和柴油是目前应用最广的含能体能源。
很明显,核能它是核燃料经过加工处理(核变)后得到的能源,故不是一次能源
狭义的绿色能源是指可再生能源,如水能、生物能、太阳能、风能、地热能和海洋能。这些能源消耗之后可以恢复补充,很少产生污染。广义的绿色能源则包括在能源的生产、及其消费过程中,选用对生态环境低污染或无污染的能源,如天然气、清洁煤(将煤通过化学反应转变成煤气或“煤”油,通过高新技术严密控制的燃烧转变成电力)和核能等。
相比较下来,核能比其他常规能源要清洁许多。但这种清洁也不是绝对的,核燃料都有放射性,而且核废料难以处理。