核反应堆的主要类型

目前，在以发电为目的的核能动力领域，世界上应用比较普遍或具有良好发展前景的，主要有压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)、重水堆(PHWR)、高温气冷堆(HTGR)和快中子堆(LMFBR)五种堆型。

一、压水堆

压水堆(PWR)最初是美国为核潜艇设计的一

种热中子堆堆型。四十多年来，这种堆型得到了

很大的发展，经过一系列的重大改进，.己经成为

技术上最成熟的一种堆型。

压水堆核电站采用以稍加浓铀作核然料，燃

料芯块中铀-235的富集度约3%。核燃料是高温烧

结的圆柱形二氧化铀陶瓷燃料芯块。

柱状燃料芯块被封装在细长的铬合金包壳管

中构成燃料元件，这些燃料元件以矩形点阵排列

为燃料组件，组件横断面边长约20cm，长约3m。

几百个组件拼装成压水堆的堆芯。堆芯宏观上为

圆柱形。

压水堆的冷却剂是轻水。轻水不仅价格便宜，而且具有优良的热传输性能。所以在压水堆中，轻水不仅作为中子的慢化剂.同时也用作冷却剂。

轻水有一个明显的缺点，就是沸点低。要使热力系统有较高的热能转换效率，根据热力学原理.核反应堆应有高的堆芯出口温度参数:要获得高的温度参数，就必须增加冷却剂的系统压力使其处于液相状态。所以压水堆是一种使冷却剂处于高压状态的轻水堆。压水堆冷却剂入口水温一般在290℃左右，出口水温330℃左右，堆内压力15.5MPa大亚湾核电站就是一座压水堆核电站。

高温水从压力容器上部离开反应堆堆芯以后，进入蒸汽发生器，如图1-7所示。压水堆堆芯和蒸汽发生器总体上像一台大锅炉，核反应堆堆芯内的燃料元件相当于加热炉，而蒸汽发生器相当于生产蒸汽的锅，通过冷却剂回路将锅与炉连接在一起。

冷却剂从蒸汽发生器的管内流过后，经过冷却剂回路循环泵又回到反应堆堆芯。包括压力容器、蒸汽发生器、主泵、稳压器及有关阀门的整个系统，是冷却剂回路的压力边界。它们都被安置在安全壳内，称之为核岛。

蒸汽发生器内有很多传热管，冷却剂回路和二回路通过蒸汽发生器传递热量。传热管外为二回路的水，冷却剂回路的水流过蒸汽发生器传热管内时，将携带的热量传输给二回路内流动的水，从而使二回路的水变成280℃左右的、6-7MPa的高温蒸汽。所以在蒸汽发生器里，冷却剂回路与二回路的水在互不交混的情况下，通过管壁发生了热交换。蒸汽发生器是分隔冷却剂回路和二回路的关键设备.

从蒸汽发生器产生的高温蒸汽，流过汽轮机，带动发电机组发电。余下的大部分不能利用的能量交给冷凝器，通过三回路排放到最终热阱一江、河、湖、海或大气。

从20世纪60年代第一代商用压水堆核电站诞生以来，压水堆的发展和它的燃料元件一样，都经历了几代的改进。压水堆的单堆电功率已由18.5万kW增加到130万kW热能利用效率由28%提高到33%，堆芯体积释热率由50MW/m3提高到约100MW/m3,燃料元件的燃耗也加深了大约3倍。为减少基建投资和降低发电成本，目前一座反应堆只配一台汽轮机。所以随着反应堆功率的增加，汽轮机也越造越大。130万kW核电站的汽轮机长达40m,配上发电机，整个汽轮发电机组长56m.

压水堆核电站最显著的特点是:结构紧凑，堆芯的功率密度大。我们知道，中子与氢原子核质量相当，每次碰撞时，中子损失的能量最多。轻水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成。与气体相比，水的密度很大，含氢量很高。在各种慢化剂中，水的慢化能力最强。水不仅是良好的慢化剂，也是良好的冷却剂。它比热大，导热系数高.在堆内不易活化，不容易腐蚀不锈钢、错等结构材料。由于水的慢化能力及载热能力都好，所以用水作慢化剂和冷却剂。用轻水作慢化剂和冷却剂的压水堆最显著的特点是结构紧凑，堆芯的功率密度大。这是压水堆的主要优点。

压水堆核电站的另一个特点是经济上基建费用低、建设周期短。由于压水堆核电站结构紧凑，堆芯功率密度大，即体积相同时压水堆功率最高，或者在相同功率下压水堆比其他堆型的体积小，加上轻水的价格便宜，导致压水堆在经济上基建费用低和建设周期短。

压水堆核电站的主要缺点有两个:第一，必须采用高压的压力容器。我们知道，水的沸点低。在一个大气压下，水在100℃下就会沸腾。压水堆核电站为了提高热效率，就必须在不沸腾的

前提下提高从反应堆流出的冷却剂的温度，即提高出口水温，为此就必须提高压力。为了提高压力，就要有承受高压的压力容器。这就导致压力容器的制作难度和制作费用的提高。第二，必须采用有一定富集度的核燃料。轻水吸收热中子的几率比重水和石墨都大，所以轻水慢化的核反应堆无法以天然铀作燃料来维持链式反应。因此轻水堆要求将天然铀浓缩到18亿年前的水平，即富集度要达到3%左右，因而压水堆核电站要付出较高的燃料费用。

美国通过多种堆型的比较分析后，20世纪50年代确定首先重点发展压水堆。除国内建造外.还向国外大量出口，曾垄断了反应堆的国际市场。所以压水堆目前在核反应堆中占据统治地位。在己建、在建和将建的核电站中，压水堆占64%左右。

压水堆之所以发展得最快，除了由于水慢化能力及冷却能力强，因而结构紧凑外，还有下列历史上的原因:

(1)压水堆的发展有军用堆的基础。由于压水堆在作为核电站的堆型前，己经作为军用堆进行了大量研究，所以技术问题解决得比较彻底，并已经有了加工压水堆部件的工业基础。

(2)工业上有使用轻水的长期经验。压水堆所采用的传热工质一一水，在工业上已经使用了几百年。水是研究得最多的传热工质.与水有关的泵、阿门、蒸汽轮机，工业上已有成熟的经验。有了火电站的基础，发展压水堆核电站回路系统和发电设备就比较容易了。

(3)核工业的发展，为压水堆所需要的浓缩铀准备了条件。浓缩铀厂和生产堆一样，是生产原子弹装料的重要手段。由于核武器生产国的浓缩铀生产能力过剩，为了给剩余的浓缩铀生产能力找到出路，便大力发展民用核动力，特别是压水堆核电站。

(4)压水堆技术上已成熟.压水堆转入民用以后，又进行了大量研究。压水堆核电站的大量建造，又进一步降低了成本，并在推广中使技术不断完善。现在，没有一种堆型，像压水堆这样投入过大量的人力和经费，进行过广泛细致的研究和开发。也没有哪一种堆型，有压水堆这样丰富的制造和运行经验，以及与压水堆相适应的完整的核动力工业体系。由于这个原因，虽然后来发展的一些堆型有不少压水堆无法比拟的优点，在技术上也很有发展前途，但要达到压水堆这样完善的程度，还需要投入一笔巨大的科研费用。

正是上述多种因素的共同影响，造成当前压水堆核电站占有独特的统治地位，而且这种状况还要维持几十年。

压水堆核电站从20世纪50年代问世以后，仅仅经过十多年，到70年代初，就不仅在经济上，而且在环境保护上，超过了已有近百年历史的火电站。压水堆核电机组一直是核能产业最安全堆型之一，它已经成为一种成熟的堆型，一直吸引着越来越多的用户，是核动力市场上最畅销的“商品”。今天，不仅发展核武器的国家，而且一些不发展核武器，煤、石油、水电很丰富的国家，也在纷纷发展核电站。在世界上，己经出现了一种规模巨大的新兴工业一一民用核动力工业，它和电子工业一样，其发展速度远远超过煤、钢铁、汽车等传统工业，并将对整个社会的生产和生活面貌带来越来越深刻的影响。到目前为止，压水堆核电站的燃料组件、压力容器、主循环泵、稳压器、蒸汽发生器、汽轮发电机组的设计，正向标准化、系列化的方向发展。压水堆核电站的研究开发工作，主要是为了进一步提高其安全性和经济性。有关各国在这方面都有庞大的研发计划，并开展广泛的国际合作。