一、核電站簡介

核電站是指通過適當?shù)难b置將核能轉(zhuǎn)變成電能的設施。核電站以核反應堆來代替火電站的鍋爐，以核燃料在核反應堆中發(fā)生特殊形式的“燃燒”產(chǎn)生熱量，使核能轉(zhuǎn)變成熱能來加熱水產(chǎn)生蒸汽。核電站的系統(tǒng)和設備通常由兩大部分組成：核的系統(tǒng)和設備，又稱為核島；常規(guī)的系統(tǒng)和設備，又稱為常規(guī)島。

核電站原理

核電站是利用原子核裂變反應釋放出能量，經(jīng)能量轉(zhuǎn)化而發(fā)電的?，F(xiàn)以壓水堆核電站（見圖1）為例，說明其工作原理。

在壓水堆內(nèi)，由核燃料原子核自持鏈式裂變反應產(chǎn)生大量熱量，冷卻劑（又稱載熱體）將反應堆中的熱量帶入蒸汽發(fā)生器，并將熱量傳給其工作介質(zhì)——水，然后主循環(huán)泵把冷卻劑輸送回反應堆，循環(huán)使用，由此組成一個回路，稱為第一回路。這一過程也就是核裂變能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換過程。

蒸汽發(fā)生器U型管外二次側(cè)的工作介質(zhì)受熱蒸發(fā)形成蒸汽，蒸汽進入汽輪機內(nèi)膨脹做功，將蒸汽焓降放出的熱能轉(zhuǎn)換成汽輪機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的機械能，這一過程稱為熱能轉(zhuǎn)換為機械能的能量轉(zhuǎn)換過程。做了功的蒸汽在凝汽器內(nèi)冷凝成凝結(jié)水，重新返回蒸汽發(fā)生器，組成另一個循環(huán)回路，稱為第二回路，這一過程稱為熱能轉(zhuǎn)換為機械能的能量轉(zhuǎn)換過程。汽輪機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子直接帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機發(fā)出電能，這是由機械能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換過程。

核電站優(yōu)缺點分析

核電站的優(yōu)勢：

與傳統(tǒng)的火力發(fā)電站相比，核電站具有十分明顯的優(yōu)勢：

（1）核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中，因此核能發(fā)電不會造成空氣污染；

（2）核能發(fā)電無碳排放，不會加重地球溫室效應；

（3）核能發(fā)電所使用的鈾燃料，除了發(fā)電外，暫時沒有其他的用途；

（4）核燃料的能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，故核能電廠所使用的燃料體積小，運輸與儲存都很方便，一座1000萬千瓦的核能電廠一年只需30噸的鈾燃料，一航次的飛機就可以完成運送；

（5）核能發(fā)電的成本中，燃料贊用所占的比例較低，核能發(fā)電的成本不易受到國際經(jīng)濟形勢的影響，固發(fā)電成本較為穩(wěn)定。

核電站的缺點：

（1）核電廠會產(chǎn)生高低階放射性廢料，或者是使用過的核燃料，雖然所占體積不大，但因其具有放射性，必須慎重處理；

（2）核電廠熱效率較低，因而比一般的化石燃料電廠排放出更多的廢熱，故核電站對環(huán)境的熱污染較嚴重；

（3）核電站的投資成本太大，電力公司的財務風險較高；

（4）核電較不適宜滿負荷運轉(zhuǎn)，也不適宜低于標準負荷運轉(zhuǎn)；

（5）興建核電站常易引發(fā)政治歧見的紛爭；

（6）核電站的反應器內(nèi)有大量的放射性物質(zhì)，如果在事故中釋放到外界環(huán)境，會對生態(tài)及民眾造成傷害。

二、核電池介紹

核電池又叫“放射性同位素電池”，它是通過半導體換能器將同位素在衰變過程中不斷地放出具有熱能的射線的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芏圃於伞：穗姵匾殉晒Φ赜米骱教炱鞯?a target="_blank">電源、心臟起搏器電源和一些特殊軍事用途。2012年8月7日，美國好奇號火星車抵達火星，核電池壽命可達14年。核電池是利用放射性同位素衰變放出載能粒子（如α粒子、β粒子和γ射線）并將其能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。按提供的電壓的高低，核電池可分為高壓型（幾百至幾千V）和低壓型（幾十mV—1V左右）兩類按能量轉(zhuǎn)換機制，它可分為直接轉(zhuǎn)換式和間接轉(zhuǎn)換式。

更具體地講，包括直接充電式核電池、氣體電離式核電池、輻射伏特效應能量轉(zhuǎn)換核電池、熒光體光電式核電池、熱致光電式核電池、溫差式核電池、熱離子發(fā)射式核電池、電磁輻射能量轉(zhuǎn)換核電池和熱機轉(zhuǎn)換核電池等。其中直接充電式核電池、氣體電離式核電池屬于直接轉(zhuǎn)換式，應用較少。目前應用最廣泛的是溫差式核電池和熱機轉(zhuǎn)換核電池。核電池取得實質(zhì)性進展始于20世紀50年代，由于其具有體積小、重量輕和壽命長的特點，而且其能量大小、速度不受外界環(huán)境的溫度、化學反應、壓力、電磁場等影響，因此，它可以在很大的溫度范圍和惡劣的環(huán)境中工作。

核電池原理：

據(jù)了解，當放射性物質(zhì)衰變時，能夠釋放出帶電粒子，如果正確利用的話，能夠產(chǎn)生電流。通常不穩(wěn)定（即具有放射性）的原子核會發(fā)生衰變現(xiàn)象，在放射出粒子及能量后可變得較為穩(wěn)定。核電池正是利用放射性物質(zhì)衰變會釋放出能量的原理所制成的，此前已經(jīng)有核電池應用于軍事或者航空航天領(lǐng)域，但是體積往往很大。過去在電池的研發(fā)過程中面臨的重大難關(guān)之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產(chǎn)品本身還大。由美國密蘇里大學計算機工程系教授權(quán)載完（音）率領(lǐng)的研究組成功為“核電池”瘦身，研發(fā)出的“核電池”體積小但電力強。但權(quán)載完教授組研發(fā)出的核電池只是略大于1美分硬幣（直徑1.95厘米，厚1.55毫米），但電力是普通化學電池的100萬倍。密蘇里大學研究團隊稱他們研制小型核電池的目的是，為微型機電系統(tǒng)或者納米級機電系統(tǒng)找到合適的能量來源。如何為微型或納米級機電系統(tǒng)找到足夠小的能量來源裝置，同微型裝置一樣是一個熱門研究領(lǐng)域。

核電池優(yōu)缺點：

優(yōu)點：

核電池在衰變時放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學反應、壓力、電磁場等的影響。

核電池提供電能的同位素工作時間非常長，甚至可能達到5000年。

缺點：

有放射性污染，必須妥善防護；而且一旦電池裝成后，不管是否使用，隨著放射性源的衰變，電性能都要衰降。

三、核電池與核電站有什么區(qū)別

區(qū)別一：

核電站的反應堆，里面主要進行的是裂變反應，也就是在一個中子的轟擊下，鈾235分裂成兩個中等大小的原子核，并放出兩到三個中子。

而核電池主要使用钚238，通過钚238的自身衰變，放出阿爾法粒子并產(chǎn)生熱量。這熱量被用來發(fā)電。

圖為钚238

钚是第94號元素，它是自然界中天然存在的質(zhì)量最重的元素，比鈾還要重。其穩(wěn)定的同位素是钚244，半衰期大約是八千萬年。

而钚238的半衰期為87.74年，衰變時釋放阿爾法粒子，同時放出大量熱，這使得即使它的量很少，钚238在某些條件下也能自燃。

钚能自燃，這使它看起來就像一塊還在發(fā)光的余燼。

1千克钚238的熱功率相當于一個570瓦功率的電爐，且持續(xù)時間以數(shù)十年計，從不間斷。

好奇號上采用的核電池，也是利用钚-238，在任務初期可以在任何狀況下穩(wěn)定地提供大約125瓦的功率輸出，而14年后功率還可以保持在100瓦左右。

區(qū)別二：

核電站中裂變產(chǎn)生的熱，是通過冷卻劑循環(huán)把熱量帶出來，接著冷卻劑加熱第二回路的水，產(chǎn)生高溫蒸氣沖擊汽輪機并發(fā)電。而核電池是采用熱電效應來發(fā)電。

我們先來演示一下熱電效應：

上圖中的兩個杯子，左面的裝著冷水，右邊的一會兒加入熱水。

把熱水倒入右邊的杯子中

電風扇開始轉(zhuǎn)動了

金屬中都有自由電子，而自由電子具有的能量和速度各不同，什么因素能決定電子的能量和速度？熱是一個重要的因素之一，當金屬導體的兩端有溫度差異時，電子更容易從熱的那一端擴散到冷的那一端，形成電壓，這就是熱電效應。

熱電效應示意圖

圖為“卡西尼－惠更斯號”上的核電池，1997年10月升空的“卡西尼－惠更斯號”，攜帶有3塊核電池，核電池燃料為钚238，它被制成二氧化钚的陶瓷壓塊，1997年時可提供880瓦的功率，十多年后，也就是2010年，“卡西尼－惠更斯號”上的核電池還能提供670瓦的功率。

圖為宇航員艾倫˙賓從阿波羅12號上取出的核電池的畫面。

核電池熱電轉(zhuǎn)化率不是很高，然而，核電池也不光只可以用來發(fā)電，尤其是在月球上，長達半個月的黑夜，其溫度可達零下兩百多攝氏度。而核電池提供的熱能可以使航天器上的某些敏感部件經(jīng)受住低溫的考驗。