1.2　反应堆与核电站[1，2]

1.2.1　反应堆和核电站

（1）反应堆

反应堆是一个能够以可控方式进行自持链式核裂变反应的装置。

反应堆主要由堆芯、反射层、控制棒、堆容器和屏蔽层等组成。堆芯集中了按一定方式排列的核燃料组件，自持链式核反应就在此区进行。堆芯也称为活性区。堆芯可使核能转换成热能，为核能利用创造了条件。

（2）核电站

自1954年第一座核电站问世后，商业化的核电站主要有压水堆、沸水堆和重水堆等堆型，前两者反应堆冷却剂为轻水（H2O），后者冷却剂为重水（D2O）。

石墨水冷堆和石墨气冷堆虽然也已商业发电，但因安全和经济原因，均已停建。

快堆和高温气冷堆核电站（厂）还未推广商业应用，正在开发研究中。各类核电站的除反应堆外发电原理及其系统组成基本相同。

1.2.2　反应堆的类别

反应堆类型反应堆类型很多，通常按用途、冷却剂和中子能量分类。

（1）按用途分类

①动力堆。发电或作舰船动力和为工业提供热源用反应堆。

②试验堆。作为基础研究或应用研究用的反应堆。例如材料试验堆、工程试验堆和脉冲堆等。为反应堆设计或新型堆研制及材料辐照提供工程设计、考核和验证性的试验数据。

③生产堆。主要为生产钚和氚及同位素用的反应堆。

（2）按冷却剂分类

①轻水堆（LWR）。包括压水堆（PWR）和沸水堆（BWR）。

②重水堆（HWR）。以重水（D2O）作慢化剂的反应堆。

重水的中子吸收截面小、慢化性能好、中子利用率高，故可以用天然铀作为核燃料，但重水昂贵，对防止泄漏要求高。重水堆又分为轻水冷却和重水冷却两类；重水冷却又分压力容器式和压力管式两类。

1.2.3　压水堆与沸水堆的特点

（1）压水堆（PWR）

一次冷却水保持在不发生整体沸腾压力（14～16MPa）之下的热中子反应堆为压水堆。压水堆与沸水堆属轻水堆型，它的一次冷却水还兼作慢化剂和反射层。

与沸水堆、重水堆、气冷堆型核电站相比较，压水堆体积小，功率密度高，平均燃耗深，负温度系数，比较安全易控。

在技术上，压水堆比较成熟，是核电站系列化、大型化、商品化最多的堆型，它约占在建的核电站（厂）反应堆总数的67.5%和核电总功率的74.1%（其次是沸水堆和重水堆核电站）。

压水堆核电站的优点是结构紧凑，体积小，单堆电功率大，目前已达到130万千瓦，建造周期短，造价相对便宜。核电站设计已定型化，可以达到订货建造的成熟地步，所选用的材料如锆合金、不锈钢、低合金钢等均性质优良，耐腐蚀性好，所以压水堆核电站正常情况下可安全可靠运行。

压水堆核电站的主要缺点是：水的沸点是100℃，提高热工参数有一定限制，热效率较低，为了提高水温到300℃以上，材料的耐蚀性能尚可接受，如果升高到330℃以上，材料的性能将恶化，尤其对设备复杂结构会产生不利的影响。因此，寻找更加优质的材料是必须予以重视的重大课题。反应堆元件包壳用锆合金的研究一直在进行，至今仍在不断追求耐蚀性更加好的包壳材料。

（2）沸水堆（BWR）

通过一回路冷却水的汽化，导出堆内热能的热中子反应堆即为沸水堆。它以直接循环的方式将堆内汽化的蒸汽通入汽轮机-发电机组发电。

沸水堆热效率高，并省去了压水堆易出故障的蒸汽发生器这一薄弱环节。但因在活性区顶端上部有汽水分离器和蒸汽干燥器，以及蒸汽的中子慢化性能差，所以沸水堆的体积比压水堆大，安全性较压水堆差。

1.2.4　核电技术的发展

（1）核电站（厂）

现今核电站（厂）反应堆即裂变堆中，利用能量较低的中子（即慢中子，又称热中子）轰击235U引起核裂变的反应堆称热中子堆或热堆，利用能量较高的中子（即快中子）轰击238U引起核裂变的反应堆称快中子反应堆或快堆。世界上绝大多数核电站属热中子反应堆。图1-7示出压水堆核电站核能转换为电能的工作原理图。

利用原子核聚变释放能量发电即核聚变反应堆还处于基础工程研究开发阶段，达到真正工程意义上的应用，可能要到本世纪中期。热中子反应堆中慢化剂的作用是将235U裂变产生的快中子慢化，以增加中子引发235U原子核裂变概率。冷却剂有两个作用：一是将核燃料裂变产生的热量带出反应堆外加以利用；二是冷却核燃料，使它的温度保持在允许的范围之内。

现在世界上已有的核电站（厂）反应堆类型主要有：压水堆（PWR）、沸水堆（BWR）、重水堆（HWR）、高温气冷堆（HTGR）、快中子增殖堆（FBR）。压水堆和沸水堆都是以轻水（H2O，即净化的普通水，又称高纯水）作慢化剂及冷却剂，所以这两种堆又统称为轻水堆（LWR）。轻水堆是当今核电站（厂）的主要堆型，约占全部核电反应堆的80%，而其中的压水堆又占轻水堆的3/4左右。

（2）核电站发展阶段

核电站（厂）的压水堆是在核潜艇压水堆基础上发展起来的。从规模上60年来经历了以下五个阶段的发展：实验性堆→示范性堆→商用堆→百万千瓦级堆→先进压水堆（APWR）。压水堆核电站（厂）同时也逐步提高了以下指标：单堆容量、核电站（厂）发电效率、堆芯比功率和燃料组件的平均卸料燃耗，减少了冷却剂的比流量等。（详见本书第6章）