核电知识手册

核电知识手册

中国核电发展中心编著

新华出版社

书

图书在版编目（CIP）数据

核电知识手册/中国核电发展中心编著．--北京：

新华出版社,2022.3

ISBN978-7-5166-6209-0

Ⅰ.①核…Ⅱ.①中…Ⅲ.①核电工业—基本知识

Ⅳ.①TL

中国版本图书馆CIP数据核字（2022）第034890号

核电知识手册

作者：中国核电发展中心

责任编辑：徐文贤王依然封面设计：贝壳学术

出版发行：新华出版社

地址：北京石景山区京原路8号邮编：100040

网址：http://

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照排：北京贝壳互联科技文化有限公司

印刷：天津和萱印刷有限公司

成品尺寸：170mm×240mm1/16

印张：9.75           字数：143千字

版次：2022年5月第一版印次：2022年5月第一次印刷

书号：ISBN978-7-5166-6209-0

定价：68.00元

版权专有，侵权必究。如有质量问题，请与出版社联系调换/p>

《核电知识手册》编委会

主编荣健

参编（按姓氏笔画排序）

刁振兴门昌华王京钢王海洋

史天蛟朱勇辉乔煜刘飒

祁博李波李文韬杨建文

肖克吴珂吴秀坤邹金强

沈立锋张伟张宇张利

陈薇陈嘉琛范翔峰周钊正

郑滨郑怡姗胡文涛姜波

聂黎明郭永阔黄文黄金阳

曹亚丽曹培根谢琦詹文辉

鲜亮

前言

Ｐｒｅｆａｃｅ

自２０世纪５０年代全球首座商用核电厂投运以来，核电产业得到全面发展，已

成为世界主要经济体的重要选择，除提供清洁稳定电力供应外，还承载着大国核能

力的战略需求，彰显大国的综合实力和全球竞争力。７０年的实践表明，核能是清

洁低碳、安全高效的优质能源，全寿期碳排放当量低，在温室气体减排、大气污染

治理、生态环境保护等方面发挥了重要作用。据国际原子能机构（ＩＡＥＡ）统计，

到２０２０年底，全球在运核电机组４４２台，总装机容量３９３亿千瓦；２０１９年核电全

年发电量占世界总发电量的１０３５％，是世界电力的重要支柱。

我国大陆地区核电发展开始于１９７０年，经历创始阶段、适度发展和积极发

展，已进入安全高效发展新阶段。我们从自主设计３０万千瓦核电厂和引进、消

化、吸收世界先进百万千瓦核电技术起步，一直向着建设核电强国的目标不断努

力奋进。从技术的学习、翻版，到拥有自主知识产权的三代压水堆和四代高温气

冷堆核电技术；从几乎全部关键设备都需要进口，到建成门类齐全、能力超强的

全球最大核电装备制造体系；从扶着“洋拐棍”亦步亦趋踯躅前行，到成为运

行规模世界第三、在建规模世界第一的核电大国；从秦山的“国之光荣”，到巴

铁的“合作典范”，我们已经建立起核电科研、设计、制造、建造、运行、行业

监管等全链条业务，各个业务环节不仅能满足国内需求，又能参与全球市场的专

业化竞争，同时还可提高我国核电技术能力，打造人才队伍。

进入新时代，减少温室气体排放、应对气候变化已成为全球发展的重要主题，

我国制定的２０３０年前实现碳达峰、２０６０年实现碳中和的目标，彰显了清洁、可持

续发展的决心，展现了构建人类命运共同体的大国担当，是贯彻落实“四个革命、

一个合作”能源安全新战略、构建清洁低碳安全高效现代能源体系的根本遵循。

２０２１年的《政府工作报告》中明确指出：“在确保安全的前提下积极有序发展核

１

｜核电知识手册｜

电”，这表明核电在未来能源结构中要发挥更大作用，在碳减排和碳中和中要承担

更大责任。

不可否认的是，我国核电建设虽然取得了很大成绩，但受到国内外各种“疑

核”“反核”势力影响，发展之路起起伏伏、断断续续，核电远没有发展到它应

该发展到的规模，发挥到它应该发挥到的作用。业内有两类非科学的观点：一类

是盲目乐观派，认为核电没什么了不起，就是一种锅炉，只是简单地将煤换成核

燃料而已。这一派往往将核安全文化置于脑后，将核安全要求放在一边，不顾一

切大干快上，对核事故心存侥幸，这种想法安全隐患极大，对核电的伤害也极

大，必须坚决摒弃。另一类是核电无用论，认为核电建设慢，造价高，发挥作用

有限，还存在核安全风险和核废物安全管理难题，其他能源完全可以替代它，不

如干脆就不发展了。这一类观点就需要我们耐心地去做工作，通过科学的、客观

的事实去化解。另外由于种种原因，公众对核并不真正了解，因而“恐核”“反

核”，一想到核，脑海中展现的就是广岛和长崎上空的蘑菇云，而不是如今环境

优美、经济繁荣、人口众多的大都市。在全社会普及正确的核知识，使公众建立

起正常的核意识，树立正确的安全发展观，使核电发展获得客观认识，这些是我

们每一个核科技工作者义不容辞的责任。

中国核电发展中心是国家能源局直属事业单位，专门从事核领域技术支撑工

作，致力于推动我国核电事业高质量发展，组织编写《核电知识手册》，主要目

的就是要展示核电工业发展全貌，宣传普及核电知识，促进业内交流思考。本书

分核能的发现和发展，核电厂、核燃料循环及核安全，世界核电发展，我国核电

发展和核电国际合作五章，力求帮助广大读者全面、客观、理性、科学认识核

电，感受核电在安全可靠、环境友好、公众防护等方面的严苛标准和卓越贡献，

进一步营造良好的核电发展社会氛围，服务核电积极有序发展。

由于核电涉及领域广泛，知识体系繁杂，加之我们水平有限，书中内容难免

存在不妥之处，还望各位读者批评指正，我们将虚心接受并深致谢意。

本书编写过程中得到许多专家指导，书中部分插图由中核集团宣传文化中

心、中广核集团党群与文宣部等单位协助提供，在此一并致以衷心感谢！

《核电知识手册》编写组

２０２１年９月

２

｜目录｜

目录

Ｃｏｎｔｅｎｔｓ

前言!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１）

第１章核能的发现和发展!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１）

１１放射性的发现及原子核的认知!!!!!!!!!!!!!!!!（１）

１２核反应!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（３）

１２１核裂变反应!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４）

１２２核聚变反应!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（５）

１３核能发电!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（７）

１３１核电的起源!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（７）

１３２核反应堆类型!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（８）

１３３核电厂!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１１）

１４核能综合利用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１２）

１４１核能供热!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１２）

１４２海水淡化!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１３）

１４３核能制氢!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１４）

１４４高温工艺热利用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１４）

１５核技术应用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１４）

１５１放射性示踪!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１５）

１５２透视和自动控制!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１５）

１

｜核电知识手册｜

１５３辐射化工应用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１５）

１５４医学和生物学应用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１５）

１５５制造放射性同位素能源!!!!!!!!!!!!!!!!!（１６）

１６辐射及其防护!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１６）

１７核电在清洁低碳能源系统中的作用!!!!!!!!!!!!!!（１８）

１８核电对生态文明建设的贡献!!!!!!!!!!!!!!!!!（２０）

第２章核电厂、核燃料循环及核安全!!!!!!!!!!!!（２２）

２１核电厂主要类型!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（２２）

２１１压水堆核电厂!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（２２）

２１２沸水堆核电厂!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（２９）

２１３重水堆核电厂!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（３０）

２１４第四代核能系统!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（３１）

２２核电厂全寿期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（３４）

２２１核电厂选址!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（３５）

２２２核电厂建设!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（３７）

２２３核电厂运行!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（３８）

２２４核电厂退役!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４１）

２３核燃料循环!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４２）

２３１铀矿勘查!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４３）

２３２铀矿的开采与加工!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４４）

２３３铀产品转化!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４５）

２３４铀浓缩!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４５）

２３５燃料元件制造!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４６）

２３６乏燃料后处理!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４７）

２４核安全与核应急!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４７）

２４１核安全与核安全监管!!!!!!!!!!!!!!!!!!（４７）

２

｜目录｜

２４２三次核事故对我国核电的影响!!!!!!!!!!!!!!（４９）

２４３核安全文化!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（５０）

２４４核应急!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（５２）

２５放射性废物管理!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（５３）

第３章世界核电发展!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（５５）

３１世界核电技术发展历程!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（５５）

３１１世界核电技术发展路线图!!!!!!!!!!!!!!!!（５５）

３１２核能未来发展趋势!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（５８）

３２世界核电机组概况!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（５９）

３２１在运机组!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（５９）

３２２在建机组!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（６３）

３２３退役机组!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（６６）

３３各主要核电国家发展概况!!!!!!!!!!!!!!!!!!（６９）

３３１美国!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（６９）

３３２俄罗斯!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（７１）

３３３法国!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（７２）

３３４加拿大!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（７４）

３３５英国!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（７５）

３３６韩国!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（７６）

３３７日本!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（７７）

３３８德国!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（７９）

第４章我国核电发展!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（８１）

４１核电技术发展!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（８１）

４１１核电起步!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（８１）

４１２技术引进!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（８２）

３

｜核电知识手册｜

４１３自主创新!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（８４）

４１４核电发展规划!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（８６）

４１５小型压水堆技术!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（８７）

４２四代核能系统研究!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（８９）

４３我国核电机组概况!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（９０）

４３１在运机组!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（９０）

４３２在建机组!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（９２）

４４核电装备制造!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（９４）

４４１国产化格局形成!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（９４）

４４２供应链实现全面覆盖!!!!!!!!!!!!!!!!!!（９６）

４５我国核电相关法律法规体系!!!!!!!!!!!!!!!!!（９７）

４６我国核电管理实践!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（９９）

４６１机构职责!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（９９）

４６２核电安全管理!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１００）

第５章核电国际合作!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１０３）

５１主要涉核对外协约!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１０３）

５１１《核安全公约》!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１０３）

５１２《乏燃料管理安全和放射性废物管理安全联合公约》!!!（１０４）

５１３《及早通报核事故公约》!!!!!!!!!!!!!!!（１０５）

５１４《核事故或辐射紧急情况援助公约》!!!!!!!!!!（１０６）

５１５《核材料实物保护公约》!!!!!!!!!!!!!!!（１０６）

５１６《制止核恐怖主义行为国际公约》!!!!!!!!!!!（１０８）

５１７《核损害责任国际公约》!!!!!!!!!!!!!!!（１０８）

５２我国核电国际合作情况!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１１１）

５２１引进技术建设的核电厂!!!!!!!!!!!!!!!!（１１１）

５２２我国核电技术装备国际合作成果!!!!!!!!!!!!（１１３）

４

｜目录｜

５２３科技合作!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１１５）

５２４其他!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１１５）

５３国际核电有关组织!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１１６）

５３１国际原子能机构（ＩＡＥＡ）!!!!!!!!!!!!!!!（１１６）

５３２经济合作与发展组织核能署（ＯＥＣＤ／ＯＥＣＤ－ＮＥＡ）!!!（１１７）

５３３世界核电运营者协会（ＷＡＮＯ）!!!!!!!!!!!!（１１７）

５３４世界核协会（ＷＮＡ）!!!!!!!!!!!!!!!!!（１１８）

５３５国际辐射防护委员会（ＩＣＲＰ）!!!!!!!!!!!!!（１１９）

５３６第四代核能系统国际论坛（ＧＩＦ）!!!!!!!!!!!（１１９）

５３７国际核能合作框架组织（ＩＦＮＥＣ）!!!!!!!!!!!（１２０）

附录Ⅰ常用名词解释!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１２２）

１核能基本原理!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１２２）

２核电厂!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１２３）

３核安全!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１２６）

附录Ⅱ常用中英文名称对照表!!!!!!!!!!!!!!!（１３０）

附录Ⅲ核电大事记!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１３３）

附录Ⅳ三次严重核事故始末!!!!!!!!!!!!!!!!!（１３６）

１三哩岛核事故!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１３６）

２切尔诺贝利核事故!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１３８）

３福岛核事故!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（１４０）

５

书

｜第１章｜

核能的发现和发展

核能，也称原子能，是原子核内部结构发生变化时释放的一种巨大能量。发

现并实现核能的和平开发、利用，是人类了解和征服自然过程中的一个重大突

破，更是人类尝试利用现代科学解决能源等问题的新方向、新思路。

１１放射性的发现及原子核的认知

１８９６年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质能自发地放射出某种看不见

的射线，并将其形象地称为放射性。后来证明，这些射线是从原子核中释放出的

带电粒子或光子。１８９７年，卢瑟福和汤姆生通过在磁场中研究铀的放射线偏转，

发现了带正电荷的α射线和带负电荷的β射线。β射线后来被证明是电子束，随

后不久维拉德发现了电中性的γ射线。

１８９８年，皮埃尔·居里和玛丽·居里夫妇经过对沥青铀矿的提炼，从中发

现了一种比铀的放射性强数百倍的新元素，并以居里夫人的祖国波兰为其命名

“钋（Ｐｏ）”。１９０２年，居里夫人新提炼出放射性强于铀２００万倍的元素镭

（Ｒａ）。因为在发现放射性方面做出的贡献，１９０３年，贝克勒尔与居里夫妇共同

获得诺贝尔物理学奖。

１９０９年，卢瑟福用α粒子轰击金箔时发现，绝大部分α粒子直接穿过金箔，

１

书

｜核电知识手册｜

也有极少数α粒子以很大的角度反弹回来，这表明金原子内部有一个体积很小但

非常坚实的核心，因此原子结构的“行星模型”得以提出并适用至今，即带负

电荷的电子围绕一个带正电荷且质量大、体积很小的原子核运转，就像行星围绕

着太阳运转。见下图１－１。

图１－１α粒子轰击金箔实验及行星模型

１９１４年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了

带正电的阳离子，卢瑟福推测，这个带正电的阳离子是正电荷的单元，并将其命

名为质子。

１９２８年，德国物理学家波特用α粒子轰击铍原子，发现了一种贯穿能力很

强的电中性射线。１９３２年，居里夫妇也做了类似实验并得出相同结论。同年，

查德威克经过实验和计算，指出这种电中性的射线是中子。

中子的发现使人们认识到原子核内部可能有着更为复杂的结构。随着近现代

物理学发展，简化后的原子核模型可较直观地看作是由质子和中子“粘”在一

２

｜第１章核能的发现和发展｜

起的小球。原子核直径在１０－１５米至１０－１４米之间，虽然其体积只占原子体积的几

千亿分之一，但却集中了原子９９９６％以上的质量，密度极大，约为１０１７千克／立

方米，即１立方米的体积如果装满原子核，则质量将达到１００万亿吨。

中子不带电，与原子核之间没有静电斥力，容易同原子核发生作用。１９３８

年，德国的哈恩和斯特拉斯曼，在用中子轰击铀原子核的实验中发现了异常现

象，经奥地利的迈特纳从理论上解释，确定为核的裂变。随后多个实验室经过重

复实验，证实了核裂变及其释放出的巨大能量。１９３９年，法国的约里奥－居里

和在美国的意大利人费米先后证明，铀原子核在分裂过程中释放２个到３个中

子，从而确定了产生自行持续的裂变链式反应的可能性，核能应用领域相关研究

由此更广泛地展开。

１２核反应

核反应是原子核与原子核，或者原子核与其他粒子之间因相互作用而引起的

各种变化。核反应是宇宙中早已普遍存在的重要自然现象，是恒星（如太阳）

的能量来源，也是我们开展核能、核技术应用的主要途径。

以一定能量的入射粒子轰击原子核，当入射粒子与原子核的距离接近到

１０－１５米时，两者之间的相互作用就会引起原子核的各种变化，从而产生不稳

定的新原子核，该新原子核通过放出能量或粒子达到稳定状态，这种现象称为

“衰变”。

宇宙射线每时每刻都在地球上引起核反应，自然界中存在的碳－１４原子，

大部分是由宇宙射线里的中子轰击氮－１４原子产生。１９１９年，卢瑟福用高能α

粒子轰击氮原子，使氮嬗变成氧，首次实现人工核反应。在过去的一个世纪中，

人类已制备出自然界中不存在的放射性核素约２０００种，发现基本粒子３００余种。

多个核子（质子、中子）结合为一个原子核时，将发生质量亏损，根据爱

３

｜核电知识手册｜

因斯坦的质能方程，释放出的能量ΔＥ＝Δｍｃ２，反之，为了打破一个原子核，使

每个核子独立分开，必须吸收对应于质量亏损的能量，与该质量亏损对应的能量

被称为原子核的结合能（一般以电子伏特ｅＶ作为能量单位）。质量亏损越大，

原子核里的核子结合得就越紧密，原子核也越稳定。

一种元素的原子核结合能与核子数（质量数Ａ）之比，被称为比结合能，也

叫平均结合能。图１－２的比结合能曲线表明，最轻和最重的原子核比结合能小，

中等质量的原子核比结合能较大，也就是说多个核子组成中间位置的原子核时，

将发生更多质量亏损（每个核子的平均质量亏损更大），因此，如果要把曲线两

端的原子核变为中间位置的原子核时，将发生质量亏损，释放出能量。这种能量

不同于化学能（化学键断裂或重组过程中释放出的能量），它来自原子核内部，

就参与反应的同等质量物质而言，核能是一种能量高度集中的能源，可达到化学

能的几百万倍。

比结合能

（MeV）

2458

9Fe107

20MgAg

16Ne

4O209

8He12CBi238U

8

7Be

10B

6

7Li

56Li

4

3

3T

2

12D

质量数A

0

10202550100150200250

图１－２比结合能曲线

１２１核裂变反应

核裂变反应是指重的原子核分裂成两个或多个质量较小的原子核的一种核反

应形式。在没有外来粒子轰击的情况下，原子核自行发生裂变的现象叫自发裂

４

｜第１章核能的发现和发展｜

变。受外来粒子轰击而发生的原子核裂变现象称为诱发裂变。

原子核裂变后产生两个或两个以上质量不同的裂变碎片，同时释放出大量能

量和两三个中子，这些能量大部分转化成碎片的动能，这些碎片称为初级碎片，

初级碎片是很不稳定的原子核，可继续衰变放出射线和能量。

以铀－２３５（２３５Ｕ）为例，当一个中子轰击铀－２３５原子核时，将分裂成两个

（或三个）大小不等的碎片，如一个铯－１４０（１４０Ｃｓ），一个铷－９２（９２Ｒｂ），并

释放２个到３个中子。这些碎片的质量总和比入射中子和被击中的原子核质量总

和要小一些，也就是说，核反应过程中损失了一小部分质量，根据爱因斯坦提出

的质能方程，损失掉的质量就转化为能量，如图１－３所示。

图１－３铀－２３５裂变反应示意图

１２２核聚变反应

核聚变是指质量轻的原子核（如氢的同位素氘和氚），在一定条件下，发生

原子核聚合作用，生成较重的原子核（如氦），并释放出巨大能量的核反应，如

图１－４所示。

利用轻核聚变原理，人类早已实现了氘氚核聚变———氢弹爆炸，但氢弹是不

可控制的爆炸性核聚变，只有让核聚变反应可控，才能实现核聚变能的和平

利用。

５

｜核电知识手册｜

受控核聚变的条件非常苛刻，技术难度极高，在理论上要求具备三方面条

件，即具有足够高的点火温度（几千万摄氏度甚至几亿摄氏度的高温），非常

高的密度（相当于常温常压下密度的几万倍）、高温度和高密度维持足够长的

时间。

目前，实现可控核聚变最为人熟知的方法是“托卡马克”型磁场约束法。

它是利用大电流所产生的强磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现聚变反应

的方法。虽然在实验室条件下已接近成功，但要达到工业应用，还要在科研与工

程方面开展大量攻关工作。

图１－４氦聚变反应示意图

另一种实现可控核聚变的方法是惯性约束法。该方法首先把几毫克的氘和氚

的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内；再从外面均匀射入激光束或粒

子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用力，球面内层向内挤压（反作

用力是一种惯性力，靠它产生约束，所以称为惯性约束），小球内的可聚变物质

受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高，当温度达到所需要的“点火”

温度时，小球内的可聚变物质便发生聚变反应。

６

｜第１章核能的发现和发展｜

１３核能发电

１３１核电的起源

如前所述，当铀－２３５的原子核受到外来中子轰击时，会分裂成两个质量较

小的原子核，同时放出２个至３个中子。这些裂变产生的中子又可以继续轰击其

他的铀－２３５原子核，引起新的裂变，如此持续进行下去就是裂变的链式反应。

１９４２年１２月，在美国芝加哥大学足球场看台下，核物理学家费米和他的团

队建造了世界上第一个受控的核反应堆（图１－５）。虽然当时是作为“曼哈顿工

程”制造原子弹计划的一部分，但是这个反应堆的成功建造标志着人类和平利用

原子能的开端。

图１－５“芝加哥一号堆”

１９５１年１２月２０日，位于美国爱达荷州Ａｒｃｏ的ＥＢＲ－Ｉ实验增殖反应堆首次

实现了核能发电，它最初的输出功率为１００ｋＷ。

１９５４年６月２７日，装机容量５ＭＷ的苏联奥布宁斯克核电厂成功并网，使之

成为世界上第一个并网发电的核电厂（图１－６）。

７

｜核电知识手册｜

图１－６苏联奥布宁斯克核电厂

１３２核反应堆类型

从第一座核反应堆诞生至今，基于不同技术维度，多种核反应堆类型得到不

同程度发展。按照核反应方式、中子能量等级、慢化剂种类、反应堆压力温度参

数等内容，核反应堆可分为如图１－７所示类型。

中子按照能量大小可分为冷中子（能量小于１０－４ｅＶ）、热中子（１０－４ｅＶ－

１ｅＶ）、慢中子（１ｅＶ－１ｋｅＶ）、中能中子（１ｋｅＶ－０５ＭｅＶ）和快中子（能量大

于０５ＭｅＶ）。热中子的运动速度约几千米每秒，快中子的运动速度约几万千米每

秒。铀－２３５、钚－２３９等易裂变核素可由热中子诱发裂变，铀－２３８、钍－２３２

等可裂变核素则需由快中子诱发裂变。

铀－２３５是自然界中天然存在且易于发生裂变的核素，裂变释放的中子平均

能量超过２ＭｅＶ，需要将中子能量降低到适合热中子堆运行的能区，降低中子能

８

｜第１章核能的发现和发展｜

图１－７核反应堆的分类

量主要依靠其在运动过程中与其他原子核碰撞时的能量损失。经过反复试验比较

发现，重水对中子的慢化效果最好，可以用天然铀（铀－２３５丰度０７１％）做核

燃料，但重水价格昂贵且不易获取，普通水（轻水）对中子的慢化效果次之，

需要用低浓铀（铀－２３５丰度要超过３％）做核燃料，普通水容易获得、经济实

惠，故成为中子慢化剂的首选。

１热中子堆

热中子堆，即主要利用热中子引发易裂变核素链式裂变并释放出能量的反应

堆，是当前世界上主要的反应堆类型。按照慢化剂不同，热中子堆主要分为两种

类型，即轻水堆和重水堆，轻水堆又分为压水堆和沸水堆。热中子堆用低浓铀作

为核燃料，用水作为中子慢化剂和导出热量的冷却剂。

（１）压水堆

压水堆技术是目前最成熟、应用最广的反应堆类型，采用高压的水作为慢化

剂和冷却剂，水在一回路压力边界内受压力作用不沸腾。

（２）沸水堆

沸水堆全称沸腾水反应堆，同样以水作为慢化剂和冷却剂。沸水堆与压水堆

不同之处在于作为冷却剂的轻水是否发生沸腾。

９

｜核电知识手册｜

（３）重水堆

重水堆是用重水作为慢化剂，以重水或轻水作为冷却剂，以天然铀作燃料的

反应堆。重水堆可以产生更多的中子，有利于生产放射性同位素。

（４）高温气冷堆

高温气冷堆是以铀－２３５作为核燃料、石墨作为慢化剂、二氧化碳或氦气作为

冷却剂的反应堆。高温气冷堆固有安全性高，不会发生类似反应堆堆芯融化的严重

事故，是国际上公认的四代反应堆技术发展方向之一。高温气冷堆不仅可以用于发

电，其产生的近千摄氏度高温气体还可应用于制氢、海水淡化等多种场景。

２快中子堆

快中子堆是主要利用快中子引发可裂变核素链式裂变并释放能量的反应堆，

常简称为“快堆”。与热中子堆相比，快堆需要大量的快中子，因此不宜用水作

为冷却剂，而常采用原子核较重的液态金属作为冷却剂，如金属钠、铅或铅铋合

金等，和热中子堆相比，快中子堆的工程技术更为复杂。

快中子堆在运行过程中，可以实现核燃料的增殖，如把占绝大多数且不易裂

变的铀－２３８，经过中子照射后转化成易裂变的钚－２３９，与乏燃料后处理配合可

实现核燃料利用最大化和放射性废物最小化，具有较好的潜在经济效益和社会

效益。

３聚变堆

与核裂变不同，核聚变反应是两个较轻的原子核在特定的条件下聚合成一个

大的原子核并释放出大量能量的反应堆。在地球上，人工核聚变反应最初是在核

武器爆炸中实现，即利用原子弹爆炸时产生的高温，点燃氘氚（氢元素的两种同

位素）发生聚变反应，释放巨大能量。

受控核聚变被认为是人类能源的终极解决方案。要实现核聚变，必须首先使

轻原子核能够在足够接近的状态下保持足够长的时间（即“约束”），目前正在

研究的约束方法有两种：一是磁场约束，二是惯性约束。受控核聚变技术难度极

大，距实现商业应用还有待攻关。

截至２０２０年１２月，全球在运的４４２台核电机组中，采用压水堆的机组有

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｜第１章核能的发现和发展｜

３０２台，占比超过６８％。我国大陆地区除浙江秦山三期核电机组采用重水堆技术

外，其余商运机组均为压水堆技术，下面主要以压水堆为例介绍核电厂的构成。

１３３核电厂

核电厂是用核反应堆产生的热量加热水产生蒸汽，并推动汽轮机做功发电的大

型设施。核电厂主要由反应堆、反应堆冷却系统（合称一回路）、蒸汽和动力转换

系统（简称二回路）、循环水系统（简称三回路）、发电机和输配电系统及其辅助

系统组成。反应堆内发生核反应释放的热量，由一回路水导出，通过蒸汽发生器加

热二回路水，产生高温高压蒸汽推动汽轮发电机组发电，二回路蒸汽做功后的乏汽

经三回路中来自外界的循环水冷凝后，经加热、除氧，再次进入蒸汽发生器。核电

厂的三个水回路完全隔绝，它们之间仅通过热传导不断地实现能量传递。

压水堆核电厂设施可分为三个部分，即核岛、常规岛和ＢＯＰ（配套及辅助设

施），如图１－８所示。

图１－８压水堆核电厂厂房布置示意图

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｜核电知识手册｜

我们通常把反应堆及其相关系统所在的厂房称为核岛，核岛内的主要工艺系

统有反应堆堆芯系统、反应堆冷却剂系统、专设安全设施、反应堆辅助系统等。

主要设备有反应堆压力容器、主泵、控制棒驱动机构、蒸汽发生器、稳压器、其

他辅助系统泵阀等。一回路是核岛中最重要的部分。

二回路与常规热电厂蒸汽动力回路大致相同，故把它及其辅助系统和厂房统

称为常规岛。常规岛的主要工艺系统有主蒸汽系统、主给水系统、汽水分离再热

系统、凝结水系统、高压加热水系统、低压加热水系统、辅助给水系统、辅助蒸

汽系统、疏水系统和常规设备中间冷却水系统等，主要设备有汽轮机、发电机、

凝汽器、汽水分离再热器、高压加热器、低压加热器、除氧器及其水箱、凝结水

泵等。

配套及辅助设施（ＢＯＰ）是除核岛和常规岛以外的所有海工、水工结构等辅

助厂房和其他辅助设施。

１４核能综合利用

核能不仅可用于发电，还可用于供热、海水淡化、制氢、高温工艺热利用等

多种用途。

１４１核能供热

核能供热于２０世纪６０年代在欧洲被提出并付诸工程实施，瑞典原型核动力

反应堆Ａｇｅｓｔａ作为世界上第一个民用核能供热的核电厂，实现十年连续供热。此

后，俄罗斯、保加利亚、瑞士、罗马尼亚等国也开始研发、建造核能供热系统。

应用最广泛的核能供热方式为核电厂发电和供热联产，目前全球有近６０座反应

堆机组实施热电联产，主要分布在东欧。

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｜第１章核能的发现和发展｜

我国于２０世纪８０年代初期开展核能供热反应堆研发。１９８３年，清华大学的

池式研究堆实现我国首次核能低温供热实验；清华大学５ＭＷ的核能供热试验堆

于１９８９年完成建设。

城市集中供暖所需温度不高，现有的核能技术容易满足要求。目前，正在发

展的核能供暖方式主要有两种：

（１）城市集中供暖专用低温核能供暖堆，工作压力为低压或常压，可以输

出１００℃左右的热水供城市应用。该类型的核反应堆工作参数低，安全性好，可

临近城市建造。

（２）核电厂热电联供，核电厂在供热季时利用部分热量为周边城市供暖。

２０１９年，山东海阳核电厂作为“国家能源核能供热商用示范工程”首次实

现了核电厂的热电联供。核电厂的部分热量通过换热站多级换热，经市政供热管

网传递至用户。据测算，每个供暖季可节约原煤１０万吨，减排二氧化碳１７７万

吨、烟尘６９１吨、氮氧化物１１２３吨、二氧化硫１１８８吨，相当于种植阔叶林１０００

公顷，对促进区域生态环境改善具有重要意义。

大型核电厂单堆功率大，利用其热电联产可有效解决北方城市低碳热源紧缺

问题。低温小型核反应堆安全性好、适应性广，为偏远严寒地区清洁供暖提供全

新解决方案。整体来看，在碳中和愿景下，核能供暖作为清洁低碳热源，是未来

我国北方冬季供暖清洁低碳化转型的重要选择之一。

１４２海水淡化

海水淡化需消耗大量能源，核反应堆产生的热能或电能，是取代化石能源进

行海水淡化的重要选择。１９７３年，苏联利用核能成功开展海水淡化实验，证明

其在技术和经济方面皆可行。核能发电配套海水淡化工程，不但可大量淡化海

水，同时还可根据季节用水量对发电进行调节。

２０世纪９０年代以来，核能用于海水淡化的技术得到了国际原子能机构和世界

多国的重视。目前，我国已有部分运行核电机组的生产用淡水就来自海水淡化。

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｜核电知识手册｜

１４３核能制氢

氢是重要的工业原料，也是理想的二次能源或能源载体。利用核能制氢，可实

现氢气的高效、大规模、无碳排放制备。核能制氢主要有两种方法：一是反应堆发

电，进行电解水制氢；二是利用反应堆产生的高温，进行水的热化学分解制氢。

高温气冷堆凭借在高温工艺热方面的独特优势，被认为是最适合制氢的反应

堆，利用反应堆产生的热作为一次能源，从含氢元素的水或化石燃料中制备氢

气。当前核能发达国家都在积极开展核能制氢领域的研究，国际第四代核能系统

论坛中的高温气冷堆系统设置了制氢项目管理部，定期召开会议研讨核能制氢发

展情况。国际原子能机构（ＩＡＥＡ）设置了核能制氢经济性相关的协调项目，全

球十余个重要核电国家共同参与了核能制氢技术的经济性评价。

１４４高温工艺热利用

在化工领域，随着合成氨、煤液化以及石油裂解产物（如乙烯）的需求快速

增长，诸多化工过程中大量消耗７００℃以上高温热，致使传统化工行业能耗巨大。

面对日益严苛的碳排放要求，探索新的工业高温热源供给十分必要。以高温气冷

堆、熔盐堆为代表的第四代核反应堆，其出口温度均超过７００℃，高效利用这些第

四代反应堆产生的高温热，有望在化工生产过程中实现节能比例超过３０％。

１５核技术应用

核技术在工业、农业、医疗、环境、考古等诸多领域有着广泛的应用。目前全

球已有近１５０个国家和地区开展核技术的研究、开发和应用，核技术应用产业化规

模已接近万亿美元。我国核技术研究起步于２０世纪５０年代，目前主要应用在工业

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｜第１章核能的发现和发展｜

方面，其次是医疗健康领域。核技术的主要应用场景包括：放射性示踪、透视和自

动控制、辐射化工应用、医学和生物学应用、制造放射性同位素能源等。

１５１放射性示踪

利用辐射的易探测性进行放射性示踪。放射性同位素与稳定的同位素具有完

全相同的化学性质，但其放出的特征辐射，不但便于探测，而且极易识别，只要

在被研究对象中加入微量（少至千亿分之一）的放射性同位素，即被贴上标记，

帮助跟踪被研究对象参与各种复杂物理、化学、生物、生理过程中的行为和变

化。这种同位素示踪方法，已经成为科学研究、临床诊断、环境保护和工农业生

产中一种极为有效的工具。

１５２透视和自动控制

利用辐射的穿透性能实现透视和自动控制。用放射源和核探测器制造出灵敏

可靠的厚度计、密度计、液位计、料位计、灰分计、水分计等，作为工业生产过

程自动检验和自动控制的测量手段，提高生产效率。利用辐射穿透物体时因密度

变化导致不同程度的衰减，可对物体内部缺陷或结构进行无损检测和研究，目前

无损探伤技术在工业中得到广泛应用。

１５３辐射化工应用

利用辐射的化学效应实现辐射化工应用。辐射可引发有机高分子的聚合和交

联等反应，可用于如高分子材料或产品的生产或改进，以及污染物处理等。

１５４医学和生物学应用

利用辐射的生物效应实现医学和生物学应用。在医学上利用辐射杀死癌细胞

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｜核电知识手册｜

治疗各种癌症，对中草药中成药、一次性医疗用品进行灭菌消毒，对农作物或食

物进行杀虫和防腐保鲜，对种子进行辐照诱发突变加速育种选型。

新冠肺炎疫情发生以来，核技术应用在辐照灭菌、检测试剂研发、废弃物处

置等领域也展现出了独有的技术优势。

１５５制造放射性同位素能源

利用辐射能量制造放射性同位素能源。放射性同位素能源（电池）稳定可

靠，具有受环境影响小，使用寿命区间广（从数月到几十年不等），可用于宇宙

探测器、卫星、极地气象站等极端场所。

１６辐射及其防护

辐射是以波或粒子的形式，向周围空间或物体发射并传播能量的统称。辐射

分为电磁辐射和电离辐射。拥有足够高的能量，能使物质的原子发生电离的辐射

称为电离辐射。

人类一直以来就在天然辐射的环境中繁衍生息，人们每时每刻都在受到天然

辐射的照射。天然辐射包括宇宙射线，人体内部放射性核素，以及存在于土壤、

岩石、水和大气中的放射性核素产生的辐射等。除了天然辐射外，还有人为活动

引起的照射，主要来自医疗照射、公众照射和职业照射，其中医疗照射所占比例

最高。

计量人体组织摄入辐射剂量的通用单位是希伏（Ｓｖ），１希伏定义是指每千

克人体组织吸收１焦耳的辐射能量。希伏（Ｓｖ）是一个较大的单位，在日常生活

或工作中经常使用毫希伏（ｍＳｖ）和微希伏（μＳｖ）。

我国人均天然本底辐射剂量约为２３ｍＳｖ／年。乘坐一次北京到欧洲的往返飞

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｜第１章核能的发现和发展｜

机，受到的辐射