如何最大化將核能轉化為電能？
01-08
為什麼要用核能燒水再發電啊，這樣能量不就消耗了？直接收集β電子行么？
核裂變以U235為例，每個U235原子核裂變釋放約207MeV能量，其中80%約164MeV集中在兩個裂變碎片原子核的動能當中，同時8MeV的β射線，7MeV的γ射線，12MeV的中微子，5MeV的中子。
除中微子不受阻攔逸出反應堆外，其他都最終以反應堆物質的熱能存在。（過剩中子與反應堆內其他物質的（n，γ）反應產生的能量，一定程度上補充了中微子的損失，實際單次裂變可利用能量約200MeV）要提高核電機組的效率，唯一辦法是提高熱機的工作效率（同時需要改變反應堆設計，提高更高的工藝熱溫度），使用更好的熱力學循環。比如：更高參數的蘭金循環如基於超臨界水堆、高溫氣冷堆等其他高溫反應堆的超臨界蒸汽發電；基於高溫氣冷堆或其他高溫堆的氦氣布雷頓循環、超臨界二氧化碳布雷頓循環、以及衍生的聯合循環。或者使用增殖堆和閉式燃料循環，提高可轉換核材料的利用率，利用貧鈾、釷在內的資源，提高核燃料資源的利用率。
樓上 @王某叉 的答案已經非常詳盡了，整理和補充一下：
1. 裂變產生的能量絕大部分是各種粒子動能和γ射線；
2. 這些粒子質量與所帶電荷各異，難以直接收集其動能；3. 高能粒子通過與介質（稱為冷卻劑）相互作用，將微觀動能轉換為熱能，再將該熱能導出，從而維持反應堆的穩定運行，而不是逐漸變熱；4. 因機械能到電能的轉換，在大容量發電機組上可以做到極高效率（99%級），因此通過熱力循環實現熱能到機械能的轉換，再發電，是合理高效的選擇；5. 選擇合適的熱力循環。1~4是難以改變的，那麼5就是與反應堆設計密切相關的問題了。
二代、三代壓水堆和沸水堆中，以輕水做冷卻劑。受水這一工質本身的特性限制，和核電安全第一的理念，壓水堆和沸水堆都只產生300℃級參數較低的飽和蒸汽，最終發電效率基本不高於35%，而同樣是燒開水的超超臨界火電機組效率逼近50%。要提高效率，四代反應堆的思路如下：
1. 超臨界水堆。直接用堆芯燒出500℃以上的過熱蒸汽，但與壓水堆沸水堆比，代價是環路壓力大幅上升，結構材料要求高；
2. 各種鈉冷、鉛冷、熔鹽堆。用各種大幾百上千度的冷卻劑把水燒到500℃以上；3. 高溫氣冷堆。氦氣做冷卻劑，氦氣直接進氣輪機布雷頓循環，或者用高溫氦氣再燒水如2。說白了，往後幾十年的發展也就是如何把水燒到更高溫度還是換種別的啥來燒的選擇而已。更科幻的方式如磁流體發電什麼的，效率也並不怎麼高。事實上你說的這種方法國外貌似是有研究的，有點類似磁流體發電，可以越過「燒開水」環節把核電轉換效率提高至78％左右。但就工程實踐來說，這中間要克服的困難還有很多很多。比如材料的耐輻照性能等，因為這相當於把電荷收集端置於強中子場下。其實一些輻照實驗可以側面證實你這個想法的可行性：輻照實驗的基靶材料幾乎都是傳熱導電性能很好的金屬材料，就是因為輻照實驗中產生的帶電粒子被靶收集，如果靶材料上的電荷和熱不能被迅速轉移，靶材料將有被熔毀的風險。比如還有一種目前還處於概念階段的聚變熔鹽堆，其主要原理就是在反應迴路融熔狀態的鹽(化學意義，酸鹼鹽的鹽，不是氯化鈉)中鼓入氣泡，注入氫原子，然後通過慣性約束使其發生聚變。一般科普都會說用激光轟擊（這麼說可能難於理解，光一般說照射，轟擊一般是說粒子）光轟擊的話要先聚焦高能光子，讓光子轟擊氫原子，實際是轟擊氫原子核，形成高溫高壓，核聚變反應發生。很多國家也紛紛以此立項研究高能激光。然而，實踐來說，用激光致使慣性約束以讓氫原子核發生聚變反應是行不通的，雖然其反應原理是對的。激光聚焦需要光學透鏡，而聚變碎片會污染透鏡使其焦距發生變化，多搞幾次反應，透鏡就第一個「光榮」了，搞不好還會爆炸。所以實際中會採用加速器加速氦原子核，通過同樣的原理轟擊氫核以發生聚變反應。但為什麼各國還要立項呢？因為高能激光的軍事用途，這可是老牛逼的光子武器啊！
本質上來說，這是個不同形式能量轉化的問題。熱機的轉化效率大概在30%左右，而發電機的效率可以達到95%以上。所以這麼一看，好像核電機組從熱到電的效率確實不高。反過來想，目前能量轉化效率最高的應該是燃料電池，理想情況下可以達到99%。開個腦洞，如果能開發一種高效率的水分子裂解技術，就可以有效提高總體轉化效率了
本人文化程度比較低，說點通俗的吧。
一、為什麼發電一定要讓發電機轉
因為常規電力系統採用三相交流電，只有滿足頻率相位相角的發電機才能成功併網並發出電，而最容易實現的滿足要求的方式就是旋轉電機，因此不論是什麼形式的發電方式，最終都要轉化到帶動發電機旋轉上來。水力發電通過水沖轉水輪機帶動發電機旋轉，燃煤燃油核電通過燒開水的水蒸氣沖轉汽輪機帶動發電機旋轉，燃氣發電通過燃氣發動機帶動發電機旋轉，風電通過風機帶動發電機（再進行交直交變換）旋轉。目前僅有光伏發電這一種形式的發電方式是直接利用光電效應由一次能源變為電能的。因此在最大限度利用現有技術的目標下，採用燒開水的方式，先將核能轉化為內能，再推動汽輪機帶動發電機的方式，僅需要攻克核能-內能轉化的技術瓶頸，而其他技術都是現成的火電技術，能最快實現規模化，商業化。二、為什麼核電一定要燒開水那核電不燒開水通過其他方式推動發電機旋轉不行嗎？例如通過直接利用貝塔射線動能推動不行嗎？也是可以的，例如可以做一個貝塔風風機，像吹風一樣把貝塔射線的動能收集起來。但是，這效率能比燒開水高嗎，能像燒開水一樣做大嗎。如果你說的是科幻層面的技術。
遠期目標應該是磁流體發電，不需要燒開水推動發電機葉輪，而是靠液體本身的流動來產生電能。這個技術不限於核電站，火電站也可以用。
不過據說我這輩子是見不到這東西實用化了。給手機用的小型核電池選擇比較多。嚴格來說都已經不是核反應了。溫差發電，也就是航天上用的RTG。但是目前溫差發電材料的效率非常之低。直接收集輻射的是輻射伏特電池，實際上就是變種的太陽能電池，現在效率也不高。民科勿噴勿輕信。自然界內已知的相互作用有四種，萬引、電磁、核強、核弱。核能釋放後我們得到的是什麼？是各種高能粒子在高速運動，能量蘊含在這些粒子的運動中。問題是這些粒子太小，而且沒有固定方向，怎麼使用這些能量？答案是找東西吸收這些粒子，將這些粒子的能量通過碰撞轉換為吸收物質的平均分子動能（熱能）。好了，現在我們有了熱源，然而這個熱源不能直接拿來發電，一方面是因為這個熱源具有高放射性，另一方面我們沒有開發出直接使用吸收物質做工質的發電機，怎麼辦？換熱，通過密封的熱交換器將熱能傳遞到外部的工質上來，同時隔離放射性。這個外部工質就是水蒸汽。現在我們從反應堆里搞出熱蒸汽了，下一步怎麼辦？發電唄！蒸汽釋放熱能，轉換為渦輪葉片的動能，帶動發電機進一步換成電磁能，最後送到電網上。你看看中間能量轉換了多少次，就能明白為何使用效率低下了。然而這已經是現有物理允許人做到的極致了。
電學理論出現多少年了，絕大部分的用電依舊是靠燒開水取得，總感覺拼圖差點什麼。
首先題主應該弄清楚的是電廠發電的原理，目前來說火電廠、核電廠的基本發電原理就是利用高溫高壓蒸汽進入汽輪機，在汽輪機內膨脹，推動葉片轉動從而帶動發電機轉動，產生電能。
目前火電廠的蒸汽參數已經搞得很高（超臨界、超超臨界等等，國內60W的火電機組應該都是超臨界），這樣蒸汽參數高，汽輪機的效率也就越高。
再來說核電，與火電不同的是，火電是用煤燒水，而核電使用反應堆燒水產生蒸汽。目前百萬千瓦的核電機組效率大概在30%左右，也就是說反應堆功率有3000MW，而汽機功率只有1000MW。如果進一步提高反應堆功率，會對核燃料材料帶來一定的損傷，安全性降低。其次就是蒸汽品質，壓水堆核電廠產生用於汽輪機做功的蒸汽都是飽和蒸汽（經過再熱器的除外），相比於火電廠的超臨界、超超臨界（過熱蒸汽）來說品質較低，所以效率不如火電廠。至於為什麼只能產生飽和蒸汽，題主可以百度一下核電站蒸汽發生器的工作原理，CCTV大國工匠曾經介紹過工藝流程。最後想說的是，說產生蒸汽是燒水的過程很貼切，確實對水這種工質來講是一個被加熱的過程，但是對於反應堆來講卻是一個冷卻的過程，試想如果沒有冷卻介質，反應堆溫度無限的升高下去，呵呵。目前先進的高溫汽冷堆，也是要氣體冷卻反應堆的。謝謝！
我這種三無的答案都有人抄襲了也是十分服氣，您能要點臉不？為什麼人類對核能的利用還只能停留在用它煮開水的能量轉換級別上？下一階段對核能的利用將會是什麼方式？ … http://www.zhihu.com/question/28013816/answer/39028672?utm_source=qqutm_medium=social【如何最大將核能轉化為電能？】匿名用戶：歪下樓，前幾天和一個學新能源專業的學長的吃飯… http://www.zhihu.com/question/54226645/answer/138527165?utm_source=qqutm_medium=social （分享自知乎網回復了您一句瞬間就匿了，別慫呀，你ID我都記住了，要@出來了看看不？
還有一種方法可以比目前的燒水發電效率高，就是熱制氫然後燃料電池發電。從理論上說從核反應到熱的轉換可認為效率為100，熱到機械能這個基本符合卡諾定律，效率在30%，未來有望提高到最高50%，然後機械能到電大概97-98%。由於有法拉第電位的存在，電解水制氫的效率只有65%，但是熱制氫的效率有可能更高，例如用金屬鋅和水反應制氫然後讓氧化鋅在高溫下分解，或者電解千度以上的水蒸氣，都有可能達到更高效率，然後用氫氧燃料電池則有80%以上的效率（理論上是100%），這樣有機會做到60%以上的總效率。不過考慮核發電的燃料費用不高目前的鈾原料價格下，燃料成本大概占發電總成本的10%，未來如果核電大發展，需要利用目前沒有利用的低品位鈾礦和海水提煉鈾等高價原料，一般認為燃料費不會超過20%，核電電價昂貴的主要原因是高昂的每千瓦發電功率建造費和由此而來的財務成本，核電站一旦完成還本付息，它其實是一座印鈔機。所以為追求效率花過大代價一般認為划不來，上面說的以熱制氫一般作為化工原料，不僅用於發電，或者利用氫容易儲存的特點做調峰，又或者利用現成天然氣管道運輸到終端客戶那裡做分散式發電（氫氣在最終客戶那裡做燃料電池發電，用多少發多少）還有一種比較奇特的方法，就是用鈉把核反應的熱帶出來，用高溫鈉加熱一個紅外線發射器（根據黑體輻射定律，其效率是可以計算的），然後用光伏電池把紅外線轉換成電。這個理論上可以做到20%的效率，雖然不高，但是可以做到設備很輕且沒有任何活動部件，適用於太空等特殊環境。
戴森球
我課外了解到的方向主要有兩個，1.反應堆上裂變進步為聚變，這個提出很久了2.減少能量轉化過程，傳統為熱能轉機械能轉電能，可以試想未來熱能如果直接高效轉為電能（如溫差發電，Seebeck效應），那將會推動人類進步一大步這兩種對效益的提升都是質的提升目前應用的比較普遍的主要是蒸汽在高壓缸做完功後再熱進去汽輪機中壓缸或從中壓和高壓缸出口抽蒸汽加熱補給水，都可以提高效益但是對比前兩者微乎其微 （本科能源化學狗，說錯了希望糾正，莫噴，謝謝 (≧?≦)/
想出更有效率的燒開水方法。
本科學的核電稍微懂一點吧，現在限制發電效率主要因素是蒸汽熱損耗，火電廠現在都是什麼超超臨界提高壓力穩度在加幾個循環。核電現在發展的第一點是安全，超超臨界技術還不能用在核電，而且核電不用太高效率發電量也可以上的去
收集beta輻射的發電方式有，nano tritium
一:現在大範圍應用的發電方式基本都是內能→機械能→電能二:內能這種東西質量很低(相對來說熵很高)的三:核能/化學能質量相對較高,直接轉化成熱能不划算綜上,我們需要跳過熱能(燃料電池),或者提高熱能的質量(即,把水燒得更熱),又或者在核反應的同時把外來的低質量能量轉化成高質量能量
把汽水分離器搞得效率高一點
核能釋放出來的形式只有熱能，熱能與電能相比是一種低品質能源，需要通過熱機轉換，所以提高轉換效率的途徑只有提供熱機效率，或提高熱源溫度，後者受材料性能限制，只能依靠提高熱機效率了。
灣灣某綠：用愛啊！
覺得最高效率還是力場直接捕獲核裂變的？？？說不出來，說到底瓶頸還是在「轉化為電能」身上，要不省去這個過程，讓接收能量的方式從電能直接變成核能好了
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