一、核電站簡介

核電站是指通過適當的裝置將核能轉變成電能的設施。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生特殊形式的“燃燒”產生熱量，使核能轉變成熱能來加熱水產生蒸汽。核電站的系統和設備通常由兩大部分組成：核的系統和設備，又稱為核島；常規的系統和設備，又稱為常規島。

核電站原理

核電站是利用原子核裂變反應釋放出能量，經能量轉化而發電的。現以壓水堆核電站（見圖1）為例，說明其工作原理。

在壓水堆內，由核燃料原子核自持鏈式裂變反應產生大量熱量，冷卻劑（又稱載熱體）將反應堆中的熱量帶入蒸汽發生器，并將熱量傳給其工作介質——水，然后主循環泵把冷卻劑輸送回反應堆，循環使用，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換為熱能的能量轉換過程。

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

核電站優缺點分析

核電站的優勢：

與傳統的火力發電站相比，核電站具有十分明顯的優勢：

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

（2）核能發電無碳排放，不會加重地球溫室效應；

（3）核能發電所使用的鈾燃料，除了發電外，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）核能發電的成本中，燃料贊用所占的比例較低，核能發電的成本不易受到國際經濟形勢的影響，固發電成本較為穩定。

核電站的缺點：

（1）核電廠會產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，也不適宜低于標準負荷運轉；

（5）興建核電站常易引發政治歧見的紛爭；

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

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變為電能而制造而成。核電池已成功地用作航天器的電源、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）兩類按能量轉換機制，它可分為直接轉換式和間接轉換式。

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、熱離子發射式核電池、電磁輻射能量轉換核電池和熱機轉換核電池等。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換核電池。核電池取得實質性進展始于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境中工作。

核電池原理：

據了解，當放射性物質衰變時，能夠釋放出帶電粒子，如果正確利用的話，能夠產生電流。通常不穩定（即具有放射性）的原子核會發生衰變現象，在放射出粒子及能量后可變得較為穩定。核電池正是利用放射性物質衰變會釋放出能量的原理所制成的，此前已經有核電池應用于軍事或者航空航天領域，但是體積往往很大。過去在電池的研發過程中面臨的重大難關之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產品本身還大。由美國密蘇里大學計算機工程系教授權載完（音）率領的研究組成功為“核電池”瘦身，研發出的“核電池”體積小但電力強。但權載完教授組研發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，為微型機電系統或者納米級機電系統找到合適的能量來源。如何為微型或納米級機電系統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域。

核電池優缺點：

優點：

核電池在衰變時放出的能量大小、速度，不受外界環境中的溫度、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別

區別一：

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生熱量。這熱量被用來發電。

圖為钚238

钚是第94號元素，它是自然界中天然存在的質量最重的元素，比鈾還要重。其穩定的同位素是钚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，且持續時間以數十年計，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。

區別二：

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

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。

核電池熱電轉化率不是很高，然而，核電池也不光只可以用來發電，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受住低溫的考驗。