核能發(fā)電是用鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”的設(shè)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(jī)帶動發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，并通過電網(wǎng)輸送給消費者。
核能發(fā)電是解決2050年全球達(dá)到二氧化碳排放為零的重要支柱。根據(jù)世界銀行集團(tuán)和維基百科的數(shù)據(jù)制成“世界各國核能發(fā)電進(jìn)展排序”，請點擊下面網(wǎng)頁：
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20世紀(jì)60年代中國核能發(fā)電量為零，到1993年中國核能發(fā)電才開始有1.6TWh，占全球總量的0.007%;根據(jù)BP2021年報告，到2020年中國核能發(fā)電量達(dá)到366.2 TWh，占全球總量的13.6%。2020年中國居世界第二位，僅次于美國30.8%。但是中國運行、在建和擬建反應(yīng)堆數(shù)將超過美國。
2020年核能發(fā)電量前三位國家
核能反應(yīng)堆發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入第四代，中國已經(jīng)有自己研制的反應(yīng)堆。
核電站反應(yīng)堆類型進(jìn)程
根據(jù)世界核能協(xié)會(World Nuclear Association，WNA)2021年6月的報告，美國是世界上核能發(fā)電量最多的國家，2021年6月有93座核反應(yīng)堆，生產(chǎn)95523TWh，占全球核能發(fā)電量總量的95523/394282=24.2%;而德國、英國則處于停滯發(fā)展階段。
表中“%e”表示核能發(fā)電占發(fā)電總量的百分率。全球核能發(fā)電占全球發(fā)電總量的10.1%，其中法國高達(dá)70.6%。本數(shù)據(jù)是世界核能協(xié)會WNA 2021年1月份提供的數(shù)據(jù)。
2021年6月全球核反應(yīng)堆及鈾需求
單位換算：68240tU=80472tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179
中國核能發(fā)電進(jìn)展較快，2020年已經(jīng)躍居全球第二位，但是與美國相比較差距仍然很大。論核能發(fā)電的發(fā)展速度，中國發(fā)展最快，在建的核反應(yīng)堆最多，達(dá)17座。擬建的有38座。這是其他國家無法相比的。
中國核能發(fā)電量及占中國發(fā)電總量的份額
世界上最大的核電站是日本柏崎刈羽核電站，裝機(jī)容量為7965MW，但2011年已經(jīng)停工。值得注意的是韓國核電站進(jìn)展很快，前十位核電站就占有3席，把美國和日本都甩到后面。
全球十大核電站
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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)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
各國的鈾儲量
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(yīng)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(yuǎn)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(jìn)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：
⑴ 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(jì)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(yīng)，到1960年代中期產(chǎn)量減半。
⑵ 1960年代中期至1980年代中期。隨著反應(yīng)堆訂單的擴(kuò)大，民用核能快速擴(kuò)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(dá)到頂峰，直到1985年都保持在年度反應(yīng)堆需求之上。
⑶ 1980年代中期至2002年左右。到1985年，核建設(shè)計劃被嚴(yán)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(jìn)入西方市場，供應(yīng)過剩的時間延長了。
⑷ 21世紀(jì)初至今。市場對需要新的初級生產(chǎn)以促進(jìn)預(yù)期的核增長復(fù)興的看法作出了強(qiáng)烈反應(yīng)。這是在多年來一直面臨不利經(jīng)濟(jì)條件、需要抵消不斷減少和有限的二次供應(yīng)的鈾礦部門的背景下發(fā)生的。這一反應(yīng)始于2003年，當(dāng)時世界鈾價格強(qiáng)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(jìn)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
2009-2019年期間各國鈾礦生產(chǎn)
本數(shù)據(jù)是世界核能協(xié)會(WNA)于 2020年12月份提供的從鈾礦生產(chǎn)(公噸U)的數(shù)據(jù)。
▲ 世界上三分之二以上的鈾產(chǎn)量來自哈薩克斯坦、加拿大和澳大利亞。
▲ 由于采取原地溶浸采鈾法(In situ leach，ISL)，目前鈾產(chǎn)量增加了50%。
世界約66%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，2019年供應(yīng)世界的41.6%，其次是加拿大(12.7%)和澳大利亞(12.1%)。中國鈾產(chǎn)量較少，鈾生產(chǎn)居世界第8位，占世界總量的3.4%。
2009-2019年鈾礦生產(chǎn)(公噸U)
單位換算：68240tU=80472 tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179 tU
鈾礦開采法
鈾礦開采方式一直在改變。1990 年，世界鈾產(chǎn)量的有55% 來自地下礦山，但到 1999 年這一比例急劇下降，當(dāng)時只有 33%。從 2000 年開始，加拿大新礦山采用原位浸出(ISL，也稱為原位回收，ISR)，采礦在總量中的份額一直在穩(wěn)步上升，主要是由于哈薩克斯坦，2019年占產(chǎn)量的一半以上：
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。
⑴ 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(jìn)行采礦。此法僅用于埋藏較淺的礦體。
⑵ 地下開采法。通過掘進(jìn)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(fù)雜，在礦床離地表較深的條件下采用這種方法。
⑶ 原地溶浸采鈾法(In situ leach，ISL)。通過地表鉆孔將化學(xué)藥劑注入礦帶，通過化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)度小，但其應(yīng)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。
2019年鈾礦開采法
傳統(tǒng)的鈾礦山有一個磨礦機(jī)，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(dāng)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(fù)雜。
鈾生產(chǎn)公司
20世紀(jì)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(yīng)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(yīng)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
值得關(guān)注的核能發(fā)電網(wǎng)絡(luò)
國際組織
國際原子能機(jī)構(gòu)International Atomic Energy Agency(IAEA)〖http://www.iaea.org〗
世界核能協(xié)會World Nuclear Association(WNA)〖http://www.world-nuclear.org〗
核供應(yīng)國集團(tuán)Nuclear Suppliers Group (NSG)〖http://www.nuclearsuppliersgroup.org〗
經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織核能署OECD Nuclear Energy Agency (NEA)〖http://www.oecd-nea.org〗
世界核能操作者協(xié)會World Association of Nuclear Operators (WANO)〖https://www.wano.org.uk〗
國際熱核實驗反應(yīng)堆International Thermonuclear Experimental Reactor(ITER)〖https://www.iter.org〗
國際冷聚變科學(xué)學(xué)會International Society for Condensed Matter Nuclear Science(ISCMNS)〖http://www.iscmns.org〗
歐洲原子能論壇European Atomic Forum (FORATOM)〖https://www.foratom.org〗
歐洲原子能共同體European Atomic Energy Community (EURATOM)〖https://ec.europa.eu/energy/topics/nuclear-energy_en〗
歐洲核學(xué)會European Nuclear Society (ENS) 〖https://www.euronuclear.org〗
歐洲核能研究組織European Organization for Nuclear Research(CERN)〖http://public.web.cern.ch/〗
管理機(jī)構(gòu)
美國能源部核能科學(xué)技術(shù)局Office of Nuclear Energy〖https://www.ne.doe.gov〗
英國原子能機(jī)構(gòu)UK Atomic Energy Agency(UKAEA)〖https://www.gov.uk/government/organisations/uk-atomic-energy-authority〗
法國原子能委員會French Atomic Energy Commission(CEA)〖https://www.cea.fr〗
中國國家原子能機(jī)構(gòu) China Atomic Energy Authority〖http://www.caea.gov.cn〗
國家實驗室
阿貢國家實驗室Argonne National Laboratory (ANL)〖https://www.anl.gov〗
費米國家加速器實驗室Fermi National Accelerator Laboratory(Fermilab)〖https://www.fnal.gov〗
勞倫斯—伯克利國家實驗室Lawrence Berkeley National Laboratory〖http://www.lbl.gov〗
洛斯—阿拉莫斯國家實驗室Los Alamos National Laboratory〖https://www.lanl.gov/〗
桑地亞國家實驗室Sandia National Laboratories(SANL)〖https://www.sandia.gov/〗
西北太平洋國家實驗室Pacific Northwest National Laboratory〖https://www.pnnl.gov/〗
橡樹嶺國家實驗室Oak Ridge National Laboratory(ORNL)〖http://www.ornl.gov〗
布洛克海文國家實驗室Brookhaven National Laboratory(BNL)〖http://www.bnl.gov/world〗
勞倫斯—利弗莫爾國家實驗室Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)〖http://www.llnl.gov〗
愛達(dá)荷國家實驗室Idaho National Laboratory(INL)〖https://inl.gov/〗
普林斯頓大學(xué)等離子體物理實驗室Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL)〖https://www.pppl.gov/〗
美國核能研究所Nuclear Energy Institute(NEI)〖https://www.nei.org/home〗
俄羅斯聯(lián)合核研究所Joint Institute for Nuclear Research (JINR)〖http://www.jinr.ru/〗
高能物理研究所Государственный научный центр Российской Федерации·Институт физики высоких энергий (ГНЦ ИФВЭ)〖http://www.ihep.su/〗
圣彼得堡核物理研究所Petersburg Nuclear Physics Institute〖http://www.pnpi.spb.ru/〗
俄羅斯科學(xué)院核研究所Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences〖http://www.inr.ac.ru〗
俄羅斯聯(lián)邦核中心Russian Federal Nuclear Center (VNIIEF)〖http://www.vniief.ru/〗
日本原子力研究開發(fā)機(jī)構(gòu)Japan Atomic Energy Agency (JAEA) 〖https://www.jaea.go.jp〗
國家聚變科學(xué)研究所 National Institute for Fusion Science (NIFS) 〖https://www.nifs.ac.jp〗
京都大學(xué)復(fù)合原子力科學(xué)研究所Kyoto University Research Reactor Institute(KURRI)
〖https://www.rri.kyoto-u.ac.jp〗
美國核學(xué)會American Nuclear Society(ANS)〖https://www.ans.org〗
加拿大核協(xié)會Canadian Nuclear Association (CNA)〖https://cna.ca〗
英國核工業(yè)協(xié)會Nuclear Industry Association(NIA)〖https://www.niauk.org〗
比利時核能協(xié)會Association Vinçotte Nuclear (AVN)〖https://www.avn.be〗
意大利核協(xié)會Italian Nuclear Association(AIN)〖https://www.assonucleare.it/〗
羅馬尼亞核能協(xié)會Romanian "Nuclear Energy" Association(AREN)〖https://aren.ro/〗
澳大利亞核協(xié)會Australian Nuclear Association Inc (ANA)〖https://www.nuclearaustralia.org.au/〗
鈾情報中心Uranium Information Centre 〖http://www.uic.com.au〗
INIS中心·中國核情報中心〖http://inis-china.atominfo.com.cn〗
貿(mào) 易
鈾出口國Uranium Exports by Country 〖http://www.worldstopexports.com/uranium-exports-by-country〗
