2025 年核电发电量约 2,800 TWh，接近全球电力的 9%，是仅次于水电的第二大低碳电源。其中美国、中国和法国三国合计就占了一半以上。IAEA 的动力堆信息系统（PRIS）列出约 410–440 座可运行反应堆，净装机合计约 375–400 GWe。具体数字要看怎样统计日本那些停运待命的机组。反应堆一旦建成，就是一项成熟、非常可靠的技术。真正的问题出在别处：成本、建设风险、核废料引发的政治争议，以及公众对事故的恐惧。
工作原理
你可以把核电站看成一座热源比较特殊的火电厂。在堆芯里，铀-235 原子核（燃料燃耗加深后还有钚-239）吸收一个慢中子后发生核裂变。每次裂变放出约 200 MeV 能量，大部分是碎片的动能，在燃料中转化为热，同时放出两到三个新的中子。慢化剂（普通水、重水或石墨）让这些中子减速，使链式反应持续下去。控制棒和溶解在水里的硼吸收中子，让反应刚好保持临界。
冷却剂把热量带出堆芯，产生蒸汽，推动汽轮机发电。冷凝器再把剩下的余热排到河流、海洋或冷却塔。轻水堆的蒸汽参数不高（约 280–330 °C），所以热效率低于现代燃煤或燃气电厂：
示例：一台 3,400 MWth 的压水堆净出力 1,150 MWe → η = 1,150 / 3,400 ≈ 34%
等效热耗率 = 3,412 Btu/kWh ÷ η ≈ 10,000 Btu/kWh
核电真正与众不同的地方，在于燃料里蕴含的巨大能量。1 千克低浓铀燃耗达到 50 GWd/t 时，约放出 400 万 MJ 热量，而 1 千克硬煤只有约 25–30 MJ。燃料能量含量计算器可以直观显示它和化石燃料的差距。
核燃料循环
天然铀含 0.7% 的铀-235。大多数反应堆需要在气体离心机里把它浓缩到 3–5%。一些先进堆型需要丰度最高 20% 的 HALEU（高丰度低浓铀），这种燃料直到最近都由俄罗斯主导。整条链条包括：采矿和水冶，转化为 UF₆，浓缩，燃料制造，在堆内辐照 4–6 年、燃耗达到约 45–60 GWd/t，最后贮存乏燃料。法国、俄罗斯和日本会后处理部分乏燃料，回收钚制成 MOX 燃料。包括美国在内的大多数国家采用一次通过式循环。
反应堆类型
| 堆型 | 慢化剂 / 冷却剂 | 占全球机组比例（约） | 典型净效率 | 实例 |
|---|---|---|---|---|
| 压水堆 PWR（含俄罗斯 VVER） | 轻水 / 加压轻水 | ~70% | 33–37% | Vogtle、Flamanville、Barakah（APR-1400） |
| 沸水堆 BWR | 轻水 / 沸腾轻水 | ~15% | 33–34% | 日本、美国、瑞典、芬兰 |
| 加压重水堆 PHWR（CANDU） | 重水 / 重水 | ~10% | ~30–33% | 加拿大、印度、罗马尼亚 |
| 改进型气冷堆 AGR | 石墨 / CO₂ 气体 | 很少，正在退役 | ~40% | 英国 |
| RBMK / LWGR | 石墨 / 沸腾轻水 | 很少 | ~31% | 俄罗斯（列宁格勒、库尔斯克、斯摩棱斯克） |
| 快堆 | 无 / 液态钠 | 极少 | ~40% | BN-600、BN-800（俄罗斯） |
压水堆把一回路水保持在约 15.5 MPa，让它不会沸腾，再通过蒸汽发生器把热量传给独立的二回路。压水堆之所以占据主导，是因为这种设计源自舰船核动力，许可审批的历史最长。沸水堆直接在堆芯里把水烧开，蒸汽直送汽轮机，电厂系统更简单。CANDU 型加压重水堆用重水做慢化剂，可以烧天然铀，还能满功率换料。加拿大、印度和罗马尼亚（切尔纳沃德）选它，正是看中这一点。
英国的 AGR 用 CO₂ 冷却，蒸汽温度更高，但石墨开裂问题让它们在 2020 年代后期陆续关闭。RBMK 就是切尔诺贝利的堆型，低功率时空泡系数为正，1986 年之后的改造降低了这个系数。俄罗斯正在替换仍在运行的机组。快堆不用慢化剂，可以用铀-238 增殖出易裂变的钚，对铀的利用要彻底得多。俄罗斯的 BN-800 是在运行的最大快堆，中国正在建设 CFR-600 机组。
小型模块化反应堆
SMR 指电功率最高约 300 MWe 的反应堆，目标是把建设工作从工地搬进工厂。它押注的不是少数几个巨型工程，而是大量可复制的机组。已投运的例子有俄罗斯的浮动核电站 Akademik Lomonosov（2 × 35 MWe，2020 年起运行）和中国的 HTR-PM 高温气冷堆示范工程（2023 年底商运）。安大略的 Darlington BWRX-300 和中国的 ACP100（玲龙一号）正在建设。爱达荷州的 NuScale-UAMPS 项目在 2023 年取消，因为即使算上补贴，预计电价也涨到了约 $89/MWh。可见，堆型小，不等于电价自然便宜。
效率与容量系数
核电站只能把三分之一的热量变成电，但它几乎从不停机。每 18–24 个月换料停堆一次，每次持续几周。二十年来，美国核电机组每年的容量系数都在 90–93% 左右（EIA），在所有技术中最高。全球平均更接近 80%。法国有意让反应堆以负荷跟踪方式运行，2022 年又遭遇应力腐蚀停堆危机，发电量跌到 30 年来最低。很多电厂还通过功率提升多发了 5–20% 的电。你可以在容量系数计算器里把这些数字和风电、光伏比一比。
成本
核电经济性归根到底取决于资本成本和融资。燃料只占发电成本的约 10–20%，所以即使铀价暴涨，对电价也几乎没有影响。各家公布的估算差距很大：
- IEA/NEA《Projected Costs of Generating Electricity 2020》：新建核电 LCOE 中位数约 $69/MWh（7% 折现率）。折现率为 10% 时成本大幅上升，3% 时降到约 $40/MWh。现有反应堆翻新后延寿运行，成本约 $30–50/MWh，是目前最便宜的低碳电力之一。
- Lazard LCOE+ 2024（美国，不含补贴）：$142–222/MWh，以 Vogtle 的实际成本为基准。
- NREL ATB 和 EIA AEO 介于两者之间，美国大型反应堆的隔夜成本约为 $7,000–9,000/kW。
这些差距反映的是施工现场真实发生的情况。下面是近年的几个大型项目：
| 项目 | 反应堆 | 开工 → 投运 | 成本结果 |
|---|---|---|---|
| Vogtle 3 和 4 号（美国） | AP1000 ×2 | 2013 → 2023/2024 | 最初约 $14bn；含融资最终超过 $30bn |
| Flamanville 3 号（法国） | EPR | 2007 → 2024 年并网 | 预算 €3.3bn；EDF 估计约 €13bn，含融资更多 |
| Olkiluoto 3 号（芬兰） | EPR | 2005 → 2023 | 拖延约 14 年，约为原价的 3 倍 |
| Hinkley Point C（英国） | EPR ×2 | 2018（核岛第一罐混凝土） → 约 2030 年以后 | EDF 估计 £31–35bn（2015 年价格） |
| Barakah 1–4 号（阿联酋） | APR-1400 ×4 | 2012 → 2021–2024 | 约 8–12 年建成约 5.6 GW，基本按计划 |
| 新古里 / 新蔚山（韩国） | APR-1400 | 每台约 5–8 年 | 隔夜成本属 OECD 最低之列 |
造价较低的项目有四个共同点：持续不断的建设计划、标准化设计、经验丰富的供应链，以及稳定的监管机构。韩国和中国这四样条件都具备，1980 年代的法国也是如此。那些几十年没建过反应堆的国家搞首堆工程，四样一样都没有。由于在产生任何收入之前就要压上大量资本，所假设的折现率和加权平均资本成本 WACC 在很大程度上决定了 LCOE。LCOE 计算器能直接显示这种敏感性。
土地、水和材料
在各种主要电源中，核电的直接占地最小，电厂本身往往每吉瓦还不到 1 km²，就算加上采矿和禁区，也只多出一点。水才是更紧的约束条件。按 NREL 的调查（Macknick et al., 2012），采用冷却塔的电厂每 MWh 耗水约 600–800 美制加仑。由于效率较低，这比燃煤或燃气电厂还多。直流冷却电厂每 MWh 取水几万加仑，但几乎全部返还，只是水温略高。每逢热浪，法国等地靠河水冷却的电厂都不得不降低出力，以遵守排水温度限值。
按 60–80 年的寿命摊算，每 MWh 的材料强度很低，不过建一座核电站要用掉大量混凝土和钢材。一座典型轻水堆每吉瓦年产生约 20–30 吨乏燃料。美国能源部指出，美国自 1950 年代以来产生的全部商用乏燃料，堆在一个足球场上，高度不到 10 码。乏燃料先放在水池里冷却，然后再转入干式贮存罐。芬兰 Olkiluoto 的 Onkalo 处置库是第一座即将投运的乏燃料深地质处置设施，瑞典的 Forsmark 和法国的 Cigéo 紧随其后。
全生命周期 CO2 排放
核电站在运行时不排放 CO₂。它的全生命周期排放来自采矿、浓缩（现在大多采用离心法，能耗比旧的气体扩散厂低得多）、建设和退役。
- IPCC AR5 第三工作组附录 III（2014）：中位数 12 gCO2e/kWh，范围 3.7–110。
- UNECE 2021：欧洲压水堆为 5.1–6.4 gCO2e/kWh，在所有评估对象中最低。
这些数字与陆上风电相当，低于光伏发电，约为燃煤发电的 1–2%。
安全与健康影响
按单位发电量计算，核电是所有电源中最安全的之一。Markandya & Wilkinson（Lancet，2007）估计欧洲核电每 TWh 约造成 0.07 人死亡，包括职业健康和公共健康影响。Our World in Data 更新后的综合数据把切尔诺贝利和福岛都算进去，结果是每 TWh 约 0.03 人死亡。燃煤约为 24.6，燃油 18.4，燃气 2.8，主要来自空气污染。
这两次重大事故，需要放到具体背景里去看：
- 切尔诺贝利（1986）：一座 RBMK 反应堆在一次组织混乱的试验中出事。约 30 名工作人员和消防员死于急性放射病或爆炸。WHO 和 UNSCEAR 预测，受照射最严重的人群中最终可能有约 4,000 人死于癌症。用线性无阈值模型外推的更大范围估算数字更高，也更有争议。数千例儿童甲状腺癌与受污染的牛奶有关，几乎都能治愈。
- 福岛第一核电站（2011）：海啸切断备用电源后，三台沸水堆堆芯熔毁。日本认定一名工作人员的死亡与辐射有关。2,000 多名老人和病人的死亡与疏散有关。应急响应如果拿捏失当，造成的伤害可能比辐射本身还大。
福岛事故之后，各国对核电机组做了压力测试，并据此加装了移动式备用设备、过滤排放系统和防洪设施。更新的第三代+设计（AP1000、EPR、APR-1400、VVER-1200、华龙一号）还增加了非能动冷却和堆芯捕集器。
前景
核电占全球电力的比例已从 1990 年代末的约 17% 降到不足 9%。德国在 2023 年关闭了最后几座反应堆，许多较老的西方机组也出于经济原因陆续退役。不过，这一趋势现在已经部分扭转。中国在建反应堆约 30 座，比世界其他地方加起来还多，每座建设周期约 5–7 年。在 COP28 上，20 多个国家承诺到 2050 年把全球核电装机增加两倍。美国、日本、荷兰、瑞典、波兰和比利时已开始延长机组寿命或规划新建。数据中心运营商已经为现有反应堆和未来的 SMR 签下长期购电协议。
如今拖住核电后腿的，是中国、韩国和俄罗斯以外的建设成本和工期，先进堆型所需的 HALEU 燃料供应链，以及芬兰和瑞典以外长期悬而未决的处置库问题。在大量依赖波动性可再生能源的脱碳电网里，核电提供稳定、可调度的低碳容量。这个价格值不值，取决于当地有哪些替代方案，比如储能电池、跨区互联线路和水电。技术对比页面把这些取舍并排列出，发电厂地图则标出全球反应堆的位置。
常见问题
核电站怎样发电？
核电的容量系数是多少？
新建核电站为什么这么贵？
核电排放多少 CO2？
核电造成过多少人死亡？
核废料怎么处理？
什么是小型模块化反应堆（SMR）？
资料来源与参考
- IAEA PRIS — Power Reactor Information System
- IEA/NEA — Projected Costs of Generating Electricity 2020
- Lazard — Levelized Cost of Energy+ (2024)
- UNECE (2021) — Life Cycle Assessment of Electricity Generation Options
- Our World in Data — What are the safest and cleanest sources of energy?
- EIA Electric Power Monthly：公用事业级发电机组容量系数
- Ember 与 Energy Institute：电力数据经 Our World in Data 整理（本页图表）