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。

二、沸水堆在对压水堆核电站有了基本了解之后，让我们再关心一下它的孪生姐妹—沸水堆。

在压水堆核电站中，一回路的冷却剂通过堆芯时被加热，随后在蒸汽发生器中将热量传给二回路的水使之沸腾产生蒸汽。

那么可不可以让水直接在堆内沸腾产生蒸汽呢?沸水堆正是在核潜艇用压水堆向核电站过渡时，为回答上述问题而衍生出来的。

沸水堆与压水堆同属于轻水堆家族，都使用轻水作慢化剂和冷却剂，低富集度铀作燃料，燃料形态均为二氧化铀陶瓷芯块，外包错合金包壳。

典型的沸水堆堆芯和压力容器的内部结构及其燃料元件棒、燃料组件和控制棒等示于图1-8中。

堆芯内共有约800个燃料组件，每个组件为8x8正方排列，其中含有62根燃料元件和2根空的中央棒(水棒)。

沸水堆燃料棒束外有组件盒以隔离流道，每一个燃料组件装在一个元件盒内。

具有十字形横断面的控制棒安排在每一组四个组件盒的中间。

冷却剂自下而上流经堆芯后大约有100(重量)被变成蒸汽。

为了得到干燥的蒸汽，堆芯上方设置了汽——水分离器和干燥器。

由于堆芯上方被它们占据，沸水堆的控制棒只好从堆芯下方插入。

沸水堆的冷却剂循环流程如图1-9所示。

其特点是堆芯内具有一个冷却剂再循环系统。

流经堆芯的水仅有部分变成水蒸气，其余的水必须再循环。

从圆简区的下端抽出一部分水由再循环泵将其唧送入喷射泵。

大多数沸水堆都设置两台再循环泵，每台泵通过一个联箱给10--12台喷射泵提供“驰动流”，带动其余的水进行再循环。

冷却剂的再循环流量取决于向喷射泵注水率，后者可由再循环泵的转速来控制。

因为沸水堆与压水堆一样，采用相同的燃料、慢化剂和冷却剂等，注定了沸水堆也有热效率低、转化比低等缺点。

但与压水堆核电站相比，沸水堆核电站还有以下几个不同的特点:(1)直接循环。

核反应堆产生的蒸汽被直接引入蒸汽轮机，推动汽轮发电机组发电。

这是沸水堆核电站与压水堆核电站的最大区别。

沸水堆核电站省去一个回路，因而不再需要昂贵的、压水堆中易出事故的蒸汽发生器和稳压器，减少大量回路设备。

(2)工作压力可以降低。

将冷却水在堆芯沸腾直接推动蒸汽轮机的技术方案可以有效降低堆芯工作压力。

为了获得与压水堆同样的蒸汽温度，沸水堆堆芯只需加压到约70个大气压，即堆芯工作压力由压水堆的1M}}左右下降到沸水堆的} M }S左右，降低到了压水堆堆芯工作压力的一半。

这使系统得到极大地简化，能显著地降低投资。

(3)堆芯出现空泡。

与压水堆相比，沸水堆最大的特点是堆内有气泡，堆芯处于两相流动状态口由于气泡密度在堆芯内的变化，在它的发展初期，人们认为其运行稳定性可能不如压水堆。

但运行经验的积累表明，在任何工况下慢化剂反应性空泡系数均为负值，空泡的反应性负反馈是沸水堆的固有特性。

它可以使反应堆运行更稳定，自动展平径向功率分布，具有较好的控制调节性能等。

与压水堆核电站相比，沸水堆核电站的主要缺点是;(1)辐射防护和废物处理较复杂。

由于沸水堆核电站只有一个回路，反应堆内流出的有一定放射性的冷却剂被直接引入蒸汽轮机，导致放射性物质直接进入蒸汽轮机等设备，使得辐射防护和废物处理变得较复杂。

汽轮机需要进行屏蔽，使得汽轮机检修时困难较大;检修时需要停堆的时间也较长，从而影响核电站的设备利用率。

(2)功率密度比压水堆小。

水沸腾后密度降低，慢化能力减弱，因此沸水堆需要的核燃料比相同功率的压水堆多，堆芯及压力壳体积都比相同功率的压水堆大，导致功率密度比压水堆小。