世界需要能源來支持日常生活及推動人類和經(jīng)濟發(fā)展。2019年,全球發(fā)電量超過2.6萬太瓦時。這些電力生產(chǎn)源于各種能源,主要是化石燃料,但也包括核電和可再生能源,如太陽能、水電和風能。
能源的生產(chǎn)和使用是全球最大的溫室氣體排放源。由于溫室氣體是驅(qū)動氣候變化的主要因素,世界各國都在積極努力通過改變能源生產(chǎn)方式,實現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型。
下面我們就來仔細了解一下清潔能源轉(zhuǎn)型以及核電所起的作用。
什么是“清潔能源轉(zhuǎn)型”?
清潔能源轉(zhuǎn)型意味著將能源生產(chǎn)從釋放大量溫室氣體的能源(如化石燃料)轉(zhuǎn)向釋放少量或沒有溫室氣體的能源。核電、水電、風能和太陽能就是這些清潔能源的一部分。
全球向清潔能源轉(zhuǎn)型的方向是在《巴黎協(xié)定》中達成的?!栋屠鑵f(xié)定》是《聯(lián)合國氣候變化框架公約》180多個國家之間達成的一項國際協(xié)定,核心目標是鼓勵使用低碳能源來減少溫室氣體排放,從而將全球平均氣溫相對于工業(yè)化前水平的升幅控制在2℃以下。
根據(jù)國際能源機構(gòu)的數(shù)據(jù),由于全球約三分之二的電力仍來自于燃燒化石燃料,因此要在2050年之前達到這些氣候目標,至少需要將80%的電力轉(zhuǎn)向低碳能源。
什么是溫室氣體、全球變暖和氣候變化?
溫室氣體是地球大氣層中吸收和釋放熱量的氣體。這些氣體包括二氧化碳、甲烷、水蒸氣、一氧化二氮和臭氧。由于它們吸收熱量并把熱量輻射回地球,導(dǎo)致地球的平均溫度上升。
雖然一些溫室氣體來自于自然界,但現(xiàn)在大多數(shù)溫室氣體來自于人類。自19世紀末工業(yè)革命以來,由于人類活動的增加,溫室氣體排放上升,主要源于燃燒化石燃料,如駕駛以汽油為燃料的汽車或燒煤取暖?;剂先紵龝r,會釋放出二氧化碳。
100多年來,溫室氣體的積累速度遠遠超過了它們的消散速度,根據(jù)最公認的科學(xué)理論,這加速了全球平均氣溫的上升。這就是所謂的全球變暖。
全球變暖正在引起環(huán)境變化,如更極端的天氣模式、不穩(wěn)定的降雨、干旱和不可預(yù)測的季節(jié)變化。這些變化被稱為氣候變化。隨著目前全球變暖的速度加快,預(yù)計氣候變化及其影響將變得更加極端,使地球上的生活更加困難。
核電如何適應(yīng)清潔能源轉(zhuǎn)型?
核電是當今僅次于水電的第二大低碳發(fā)電能源。核電廠在運行過程中幾乎不產(chǎn)生溫室氣體排放。據(jù)國際能源機構(gòu)統(tǒng)計,過去50年,核電的使用減少了超過60千兆噸的二氧化碳排放,幾乎相當于兩年的全球能源相關(guān)排放量。
核電占全球電力的10%左右,占全球低碳電力的三分之一左右。目前,有440座核電反應(yīng)堆在30個國家運行。有54座反應(yīng)堆正在19個國家建造中,包括4個國家正在建造首座核反應(yīng)堆。
由于核電廠可以幾乎不間斷地滿負荷運行,因此可以提供持續(xù)可靠的能源供應(yīng)。這與太陽能和風能等可變可再生能源形成鮮明對比,后者在產(chǎn)出缺口時,如太陽落山或風停時,需要備用電源。
核電廠還可以靈活地運行,以滿足能源需求的波動,并為電網(wǎng)特別是那些可變可再生能源比例較高的電網(wǎng)提供穩(wěn)定性。目前,一些核電廠的設(shè)計還能提供非電力服務(wù),例如制氫。除了電力生產(chǎn)外,這些服務(wù)還有助于其他部門去碳化。
隨著核電技術(shù)的不斷進步,帶來了創(chuàng)新和先進的下一代反應(yīng)堆設(shè)計,促使核電成為更高效、更實惠和更具吸引力的去碳化方案。在一個反應(yīng)堆設(shè)計更小、更靈活、甚至可運輸?shù)男聲r代,預(yù)計核電及其非電力應(yīng)用也會變得更容易獲得和更具成本效益,特別是對于全球偏遠和難以到達的地區(qū)。
核電是如何工作的?
核電是由核能的受控釋放產(chǎn)生的,核能是將原子中心聚合在一起的能量。這些中心稱為原子核。核能最終以熱能的形式通過核裂變釋放出來,核裂變是特定材料的原子核分裂的過程。最常用的材料是鈾,這是一種天然存在于地殼中的弱放射性重金屬。
鈾通常被裝入燃料棒中,裝入之前一般要進行濃縮,以增加其裂變能力。這些燃料棒被放置在核反應(yīng)堆內(nèi)。
壓水堆的簡化示意圖。(圖片來源:iStock.com/jack0m)
壓水堆是目前世界上最常見的在運核電反應(yīng)堆。燃料棒在壓水堆中使用時,被放置在反應(yīng)堆的容器內(nèi),容器內(nèi)充滿水。在那里,燃料棒受到稱為中子的核粒子轟擊,這些中子最初是由反應(yīng)堆內(nèi)的一個裝置(中子源)產(chǎn)生的。這些中子使燃料棒中的鈾核分裂,釋放出能量和中子。這些新釋放的中子會使燃料棒中的其他鈾核不斷分裂,產(chǎn)生核裂變鏈式反應(yīng)。
在壓水堆中,核裂變過程中釋放的能量會加熱燃料棒和周圍的水。為了防止水沸騰,水一直處于加壓狀態(tài),而熱量則通過管道排出使附近容器中的水沸騰。沸騰的水產(chǎn)生蒸汽,使巨大的汽輪機高速轉(zhuǎn)動。汽輪機與發(fā)電機連接,并使發(fā)電機旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生電力。然后,電力流向電網(wǎng),這是一個相互連接的網(wǎng)絡(luò),將電力從生產(chǎn)者提供給消費者。
核裂變持續(xù)進行,直到在燃料棒之間插入由吸收中子而不產(chǎn)生額外裂變的材料(如鎘)制成的控制棒。這就停止了核裂變鏈式反應(yīng)。(Nicole Jawerth)
世界需要能源來支持日常生活及推動人類和經(jīng)濟發(fā)展。2019年,全球發(fā)電量超過2.6萬太瓦時。這些電力生產(chǎn)源于各種能源,主要是化石燃料,但也包括核電和可再生能源,如太陽能、水電和風能。
能源的生產(chǎn)和使用是全球最大的溫室氣體排放源。由于溫室氣體是驅(qū)動氣候變化的主要因素,世界各國都在積極努力通過改變能源生產(chǎn)方式,實現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型。
下面我們就來仔細了解一下清潔能源轉(zhuǎn)型以及核電所起的作用。
什么是“清潔能源轉(zhuǎn)型”?
清潔能源轉(zhuǎn)型意味著將能源生產(chǎn)從釋放大量溫室氣體的能源(如化石燃料)轉(zhuǎn)向釋放少量或沒有溫室氣體的能源。核電、水電、風能和太陽能就是這些清潔能源的一部分。
全球向清潔能源轉(zhuǎn)型的方向是在《巴黎協(xié)定》中達成的?!栋屠鑵f(xié)定》是《聯(lián)合國氣候變化框架公約》180多個國家之間達成的一項國際協(xié)定,核心目標是鼓勵使用低碳能源來減少溫室氣體排放,從而將全球平均氣溫相對于工業(yè)化前水平的升幅控制在2℃以下。
根據(jù)國際能源機構(gòu)的數(shù)據(jù),由于全球約三分之二的電力仍來自于燃燒化石燃料,因此要在2050年之前達到這些氣候目標,至少需要將80%的電力轉(zhuǎn)向低碳能源。
什么是溫室氣體、全球變暖和氣候變化?
溫室氣體是地球大氣層中吸收和釋放熱量的氣體。這些氣體包括二氧化碳、甲烷、水蒸氣、一氧化二氮和臭氧。由于它們吸收熱量并把熱量輻射回地球,導(dǎo)致地球的平均溫度上升。
雖然一些溫室氣體來自于自然界,但現(xiàn)在大多數(shù)溫室氣體來自于人類。自19世紀末工業(yè)革命以來,由于人類活動的增加,溫室氣體排放上升,主要源于燃燒化石燃料,如駕駛以汽油為燃料的汽車或燒煤取暖?;剂先紵龝r,會釋放出二氧化碳。
100多年來,溫室氣體的積累速度遠遠超過了它們的消散速度,根據(jù)最公認的科學(xué)理論,這加速了全球平均氣溫的上升。這就是所謂的全球變暖。
全球變暖正在引起環(huán)境變化,如更極端的天氣模式、不穩(wěn)定的降雨、干旱和不可預(yù)測的季節(jié)變化。這些變化被稱為氣候變化。隨著目前全球變暖的速度加快,預(yù)計氣候變化及其影響將變得更加極端,使地球上的生活更加困難。
核電如何適應(yīng)清潔能源轉(zhuǎn)型?
核電是當今僅次于水電的第二大低碳發(fā)電能源。核電廠在運行過程中幾乎不產(chǎn)生溫室氣體排放。據(jù)國際能源機構(gòu)統(tǒng)計,過去50年,核電的使用減少了超過60千兆噸的二氧化碳排放,幾乎相當于兩年的全球能源相關(guān)排放量。
核電占全球電力的10%左右,占全球低碳電力的三分之一左右。目前,有440座核電反應(yīng)堆在30個國家運行。有54座反應(yīng)堆正在19個國家建造中,包括4個國家正在建造首座核反應(yīng)堆。
由于核電廠可以幾乎不間斷地滿負荷運行,因此可以提供持續(xù)可靠的能源供應(yīng)。這與太陽能和風能等可變可再生能源形成鮮明對比,后者在產(chǎn)出缺口時,如太陽落山或風停時,需要備用電源。
核電廠還可以靈活地運行,以滿足能源需求的波動,并為電網(wǎng)特別是那些可變可再生能源比例較高的電網(wǎng)提供穩(wěn)定性。目前,一些核電廠的設(shè)計還能提供非電力服務(wù),例如制氫。除了電力生產(chǎn)外,這些服務(wù)還有助于其他部門去碳化。
隨著核電技術(shù)的不斷進步,帶來了創(chuàng)新和先進的下一代反應(yīng)堆設(shè)計,促使核電成為更高效、更實惠和更具吸引力的去碳化方案。在一個反應(yīng)堆設(shè)計更小、更靈活、甚至可運輸?shù)男聲r代,預(yù)計核電及其非電力應(yīng)用也會變得更容易獲得和更具成本效益,特別是對于全球偏遠和難以到達的地區(qū)。
核電是如何工作的?
核電是由核能的受控釋放產(chǎn)生的,核能是將原子中心聚合在一起的能量。這些中心稱為原子核。核能最終以熱能的形式通過核裂變釋放出來,核裂變是特定材料的原子核分裂的過程。最常用的材料是鈾,這是一種天然存在于地殼中的弱放射性重金屬。
鈾通常被裝入燃料棒中,裝入之前一般要進行濃縮,以增加其裂變能力。這些燃料棒被放置在核反應(yīng)堆內(nèi)。
壓水堆的簡化示意圖。(圖片來源:iStock.com/jack0m)
壓水堆是目前世界上最常見的在運核電反應(yīng)堆。燃料棒在壓水堆中使用時,被放置在反應(yīng)堆的容器內(nèi),容器內(nèi)充滿水。在那里,燃料棒受到稱為中子的核粒子轟擊,這些中子最初是由反應(yīng)堆內(nèi)的一個裝置(中子源)產(chǎn)生的。這些中子使燃料棒中的鈾核分裂,釋放出能量和中子。這些新釋放的中子會使燃料棒中的其他鈾核不斷分裂,產(chǎn)生核裂變鏈式反應(yīng)。
在壓水堆中,核裂變過程中釋放的能量會加熱燃料棒和周圍的水。為了防止水沸騰,水一直處于加壓狀態(tài),而熱量則通過管道排出使附近容器中的水沸騰。沸騰的水產(chǎn)生蒸汽,使巨大的汽輪機高速轉(zhuǎn)動。汽輪機與發(fā)電機連接,并使發(fā)電機旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生電力。然后,電力流向電網(wǎng),這是一個相互連接的網(wǎng)絡(luò),將電力從生產(chǎn)者提供給消費者。
核裂變持續(xù)進行,直到在燃料棒之間插入由吸收中子而不產(chǎn)生額外裂變的材料(如鎘)制成的控制棒。這就停止了核裂變鏈式反應(yīng)。(Nicole Jawerth)