核能發(fā)電(nuclear power)是用鈾制成的核燃料在“反應堆”的設備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶動發(fā)電機一起旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，并通過電網(wǎng)輸送給消費者。
用核反應堆產(chǎn)生核能，需要解決以下4個問題：
?、?為核裂變鏈式反應提供必要的條件，使其反應得以進行;
?、?鏈式反應必須能由人工通過一定裝置進行控制。失去控制的裂變能不僅不能用于發(fā)電，還會釀成災害;
?、?裂變反應產(chǎn)生的能量要能從反應堆中安全取出;
?、?裂變反應中產(chǎn)生的中子和放射性物質(zhì)對人體危害很大，必須設法避免。
核能發(fā)電的能量來自核反應堆中的可裂變材料(核燃料)進行裂變反應所釋放的裂變能。裂變反應指鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個碎片，同時放出中子和大量能量的過程。反應中，可裂變材料的原子核吸收一個中子后發(fā)生裂變并放出2～3個中子。若這些中子除去消耗，至少有一個中子能引起另一個原子核裂變，使裂變自持地進行，這種反應稱為“鏈式裂變反應”。實現(xiàn)鏈式反應是核能發(fā)電的前提。
核電站是一種高能量、低耗料的電站，此外，核燃料在反應堆內(nèi)燃燒的過程中，同時還能產(chǎn)生出新的核燃料。核電站的基建投資高，但燃料費用較低，發(fā)電成本也較低，污染小。
核電站發(fā)電與火力發(fā)電相比，核電的特點是：
⑴ 核能發(fā)電是清潔能源。核電站不排放有害物質(zhì)，不會造成“溫室效應”。
⑵ 核能發(fā)電是經(jīng)濟的能源。雖然核電站的比投資高于燃煤電廠，但由于核燃料的成本低于燃煤成本以及核燃料是長期起作用等因素，所以目前核電站的總發(fā)電成本低于燃煤電站。
?、?核能是可持續(xù)發(fā)展的能源。世界上已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸。這些裂變?nèi)剂献銐蚴褂玫骄圩兡軙r代。
聚變?nèi)剂现饕请弯嚒：Ｋ械碾繛?.034克/升，地球上總水量約為1.386×1018m3 ，其中氘的儲量約40萬億噸，地球上的鋰儲量約有2000億噸，鋰可用來制造氚。按目前世界能源的消費水平，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。
核能發(fā)電發(fā)展到2030年，進入第五代操作系統(tǒng)將會提供更安全、更可靠、更經(jīng)濟、更持續(xù)發(fā)展，見表可以看出，中國核電站已經(jīng)自主研究開發(fā)的，并且已經(jīng)進入第四代核電站，操作更加經(jīng)濟安全，排放廢物更加少。
核電站進程
1979年的三哩島核泄漏事故和1986年的切爾諾貝利核事故使美國放緩了建造核能發(fā)電廠的步伐。后來，核能在經(jīng)濟與環(huán)境兩方面的益處使美國政府又開始重新考慮它。公眾也對核能很感興趣，隨著不斷飆升的油價，核能發(fā)電廠安全性的提高和符合京都議定書規(guī)定的低溫室氣體排放量使一些有影響的環(huán)境保護論者開始注意核能。有一些核反應堆已處于建造當中，幾種新型核反應堆也在計劃之中。
核能是一種儲量充足并被廣泛應用的能量來源。如果用核能取代化石燃料來發(fā)電的話，溫室效應也會減輕。國際間正在進行對于改善核能安全性的研究，科學家們同時還在研究可控核聚變和核能的更多用途，如制氫(氫能也是一種被廣泛提倡的清潔能源)、海水淡化和大面積供熱。
21世紀后全球暖化等議題成為關(guān)注焦點，比爾·蓋茨等一群企業(yè)家和科學團隊認為核能是拯救暖化的唯一方案，這類觀點認定其他綠能之類方法耗用的土地與單位電費太高，不能在全人類經(jīng)濟不崩潰的前提下終止暖化，蓋茨旗下投資泰拉能源一直研發(fā)第四代反應堆兼顧安全性與廉價巨大電量的終極目標。
中國國家政策認定核能是唯一兼顧經(jīng)濟發(fā)展與抗暖化的巨量電力方案，眾多國有企業(yè)和民間資本投入研發(fā)，中華人民共和國核工業(yè)成為21世紀初期至今全球最大規(guī)模的核能工業(yè)建設。
中國目前有2大核電公司：主要經(jīng)營北部的中國核工業(yè)集團公司和主要經(jīng)營中國南部的中國廣核集團。中國通過國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)計劃參與的核聚變反應堆的開發(fā)，已經(jīng)在合肥構(gòu)建了一個被稱為先進超導托卡馬克實驗裝置(EAST)的試驗性核聚變反應堆;以及研究和開發(fā)釷燃料循環(huán)作為一個潛在的核裂變替代方法。
鈾的來源
鈾在土壤、巖石及河流、海洋都可發(fā)現(xiàn);甚至在人體和食品中都有痕跡量存在。但是濃縮的鈾礦卻只在很少的地方發(fā)現(xiàn)，一般是在堅硬的巖石中，如在地殼中占60%的花崗巖中，其鈾含量可達百萬分之四。
自然界中存在的可裂變元素只有鈾-235，而它只占天然鈾中的0.7%，其余均為鈾-238。在核電站中可將一部分鈾-238轉(zhuǎn)變?yōu)轭?239，同樣，也可以將自然界中大量存在的釷-232轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎兊拟?233，因此，估計核燃料資源時，必須考慮核燃料增殖這一因素。這樣，核燃料的儲量遠遠超過化石燃料，能長期滿足核能發(fā)電的需要。
天然鈾的典型濃度
各國鈾儲量
鈾儲備量是指可供開采的鈾資源儲備，不計同位素。即使不考慮增殖反應堆所產(chǎn)生的副產(chǎn)品(例如钚)，鈾儲備量中所蘊含的核裂變能量遠大于地球上所有化石燃料(甚至包括甲烷氣水包合物)的能量之和。有一些元素例如釷可以用來生成鈾，并且副產(chǎn)品可以用于熱發(fā)電。很多加拿大、格陵蘭、西伯利亞和南極洲的地區(qū)因為永久凍土而沒有進行勘探，其中可能含有大量未被發(fā)現(xiàn)的儲備。
2011年鈾可采資源量為5327200噸U，2017年增加到6142600噸U。中國鈾資源勘探從2011年的166100噸U增加到2017年的290 400噸U。
本數(shù)據(jù)是OECD NEA & IAEA于2017年發(fā)布的。此儲量包括可采儲量和推斷儲量。
2017年世界各國鈾儲量
1945-2018年鈾累積產(chǎn)量
1945-2016年期間的鈾生產(chǎn)可分為四個不同階段：
?、?1945年至1960年代中期的軍事時代，核燃料發(fā)電是核軍備競賽的附帶條件。上世紀50年代，為了滿足高濃縮鈾和钚的需求，生產(chǎn)迅速增長。鈾需求在1960年代急劇下降，作為回應，到1960年代中期產(chǎn)量減半。
?、?1960年代中期至1980年代中期。隨著反應堆訂單的擴大，民用核能快速擴張的時期見證了鈾產(chǎn)量的回升。許多新礦山投產(chǎn)，通常由與北美、日本和西歐電力公司簽訂的長期合同承保。西方的生產(chǎn)在1980年達到頂峰，直到1985年都保持在年度反應堆需求之上。
?、?1980年代中期至2002年左右。到1985年，核建設計劃被嚴重削減。為了建造更多的核電站，許多公用事業(yè)公司已經(jīng)簽署了鈾合同。尊重這些創(chuàng)造了一個重要的懸置。隨著礦山的枯竭，許多礦山減產(chǎn)或關(guān)閉。公用事業(yè)公司在不依賴新產(chǎn)品的情況下，通過減少大量庫存來滿足要求。由于1993年前蘇聯(lián)的鈾進入西方市場，供應過剩的時間延長了。
⑷ 21世紀初至今。市場對需要新的初級生產(chǎn)以促進預期的核增長復興的看法作出了強烈反應。這是在多年來一直面臨不利經(jīng)濟條件、需要抵消不斷減少和有限的二次供應的鈾礦部門的背景下發(fā)生的。這一反應始于2003年，當時世界鈾價格強勁上漲，一直持續(xù)到2007年(2003年初至2007年年中，現(xiàn)貨市場價格上漲了13倍)，但隨后進入了向下調(diào)整，2011年福島核事故更是加劇了這一趨勢。自事故發(fā)生以來，鈾價格已跌至有史以來經(jīng)通脹調(diào)整的最低水平之一。
1945-2018年鈾累積產(chǎn)量
2009-2018期間各國鈾產(chǎn)量
本數(shù)據(jù)是世界核能協(xié)會(WNA)于 2019年8月份提供的從鈾礦生產(chǎn)(公噸U)的數(shù)據(jù)。
世界約76%從鈾礦生產(chǎn)的鈾是來自哈薩克斯坦、加拿大、澳大利亞和納米比亞。其中哈薩克斯坦鈾生產(chǎn)占世界的比例最大，供應世界的40.6%，其次是加拿大(13.1%)和澳大利亞(12.2%)。中國鈾產(chǎn)量較少，鈾生產(chǎn)居世界第8位，占世界總量的3.5%。
2009-2018年鈾礦生產(chǎn)(公噸U)
單位換算：68240tU=80472 tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179
鈾礦開采法
鈾礦開采方法主要有露天開采、地下開采和原地浸出采鈾三種方法。
?、?露天開采法。按一定程序先剝離表土和覆蓋巖石，使礦石出露，然后進行采礦。此法僅用于埋藏較淺的礦體。
?、?地下開采法。通過掘進聯(lián)系地表與礦體的一系列井巷，從礦體中采出礦石。此工藝過程比較復雜，在礦床離地表較深的條件下采用這種方法。
?、?原地溶浸采鈾法(In situ leach，ISL)。通過地表鉆孔將化學藥劑注入礦帶，通過化學反應選擇性地溶解礦石中的有用成分—鈾，并將浸出液提取出地表，而不使礦石繞圍巖產(chǎn)生位移。這種采鈾的方法與常規(guī)采礦相比，生產(chǎn)成本低，勞動強度小，但其應用有一定的局限性，只適用于具有一定地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的礦床。
采礦方法一直在改變。1990年世界55%的產(chǎn)量來自地下礦山，但到1999年，這一比例急劇下降，當時為33%。從2000年起，加拿大的新礦山又增加了產(chǎn)量。原地溶浸采鈾法(ISL或ISR)采礦在總產(chǎn)量中的份額一直在穩(wěn)步增加，主要是由于哈薩克斯坦，2018年占總產(chǎn)量的一半以上。
2018年鈾礦開采法
傳統(tǒng)的鈾礦山有一個磨礦機，將礦石粉碎、研磨，然后用硫酸浸出，以溶解鈾氧化物。在常規(guī)礦山的選礦廠或ISL操作的處理廠，鈾在干燥和包裝之前，通常用離子交換以U3O8形式分離。一些磨坊和ISL操作(尤其是在美國)使用碳酸鹽浸出，而不是硫酸，這取決于礦體。用副產(chǎn)品法當鈾作為副產(chǎn)品被回收時，銅或磷酸鹽處理過程可能會更復雜。
鈾生產(chǎn)公司
20世紀90年代 ，鈾生產(chǎn)行業(yè)通過收購、兼并和關(guān)閉得到了鞏固，但隨著哈薩克斯坦的跨國所有權(quán)結(jié)構(gòu)，這一行業(yè)再次多樣化。超過一半的鈾礦生產(chǎn)來自國有礦業(yè)公司，其中一些公司將安全供應置于市場考慮之上。2018年，全球前十大鈾生產(chǎn)公司銷售了全球87%的鈾產(chǎn)量：
2013～2015年世界鈾生產(chǎn)主要公司
隨著哈薩克斯坦的跨國所有權(quán)結(jié)構(gòu)再次多元化。超過一半的鈾礦生產(chǎn)來自國有礦業(yè)公司，其中一些公司將安全供應置于市場考慮之上，全球總產(chǎn)量約有下降。2018年，全球前十大鈾生產(chǎn)公司銷售了全球80%的鈾產(chǎn)量：
2018年世界鈾生產(chǎn)主要公司
2018年最大的鈾礦山
2018年世界十大鈾礦占據(jù)了全球總產(chǎn)量的51%。雖然加拿大雪茄湖居產(chǎn)量之首，但哈薩克斯坦占了4席。
2018年世界十大鈾礦
核能發(fā)電在各國電力份額中的比例
本數(shù)據(jù)是世界核能協(xié)會(World Nuclear Association，WNA)于 2019年8月份提供的數(shù)據(jù)。德國和日本核能發(fā)電在世界各國電力中的份額處于逐年下降，而中國大陸卻上升。
核能發(fā)電在世界各國電力中的份額(%)
2020年2月全球核反應堆及鈾需求
本數(shù)據(jù)是世界核能協(xié)會(World Nuclear Association，WNA)于 2020年2月份提供的數(shù)據(jù)。
2020年2月全球核反應堆及鈾需求
單位換算：68240tU=80472tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179
全球十大核電站
世界上最大的核電站是日本柏崎刈羽核電站，裝機容量為7965MW，但2011年已經(jīng)停工。值得注意的是韓國核電站進展很快，前十位核電站就占有4席，把美國和日本都摔到后面。
全球十大核電站
核反應堆類型與分布
2018年底全球運行的反應堆有449座，壓水反應堆(PWR)最多，占總量的298/449=66%;其次為沸水反應堆(BWR)。
2018年全球運行的反應堆類型與分布
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