英國(guó)物理學(xué)家查德威克于1932年發(fā)現(xiàn)了中子，中子像一把鑰匙打開(kāi)了原子核的大門(mén)，為核能的利用開(kāi)辟了廣闊的空間。核能分為核裂變能和核聚變能兩種，現(xiàn)在核電廠利用核能的方式是可控核裂變反應(yīng)，可控核聚變還正在研究之中。

1942年由費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在美國(guó)芝加哥大學(xué)建成了世界上第一座自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)裝置，1954年前蘇聯(lián)建成第一座5兆瓦石墨水冷堆核電廠，從此開(kāi)辟了核能和平利用的新紀(jì)元。反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式是千姿百態(tài)的，它根據(jù)燃料形式、冷卻劑種類(lèi)、中子能量分布形式、特殊的設(shè)計(jì)需要等因素可建造成各種不同結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)堆。目前世界上有大小反應(yīng)堆上千座，其分類(lèi)也是多種多樣的。

反應(yīng)堆按中子能譜分有熱中子堆和快中子堆。反應(yīng)堆按冷卻劑分有輕水堆、重水堆、氣冷堆和鈉冷堆。其中的輕水堆又可分為壓水堆和沸水堆；氣冷堆中代表性的堆型是高溫氦氣冷卻石墨球床堆，簡(jiǎn)稱(chēng)高溫氣冷堆；液態(tài)金屬冷卻堆的代表堆型是鈉冷快中子增殖堆，簡(jiǎn)稱(chēng)鈉冷快堆。反應(yīng)堆按用途分為研究堆、生產(chǎn)堆和動(dòng)力堆等，生產(chǎn)堆主要是用于生產(chǎn)軍用钚和氚。下面，筆者將結(jié)合我國(guó)目前核電發(fā)展現(xiàn)狀大致介紹下常見(jiàn)堆型的情況。

壓水堆（英文簡(jiǎn)稱(chēng)pwr）最初是美國(guó)為核潛艇設(shè)計(jì)的一種堆型，然后逐漸發(fā)展到陸地上來(lái)。1957年，世界第一座商用壓水堆核電廠希平港核電廠建成，功率為6萬(wàn)千瓦。五十多年來(lái)，這種堆型得到了很大的發(fā)展，經(jīng)過(guò)一系列的重大改進(jìn)，已經(jīng)成為目前技術(shù)上最成熟的堆型之一。

壓水堆的冷卻劑是輕水，這是因?yàn)檩p水不僅價(jià)格便宜，而且具有優(yōu)良的熱傳輸性能。所以在壓水堆中，輕水不僅作為中子的慢化劑，同時(shí)也用作冷卻劑。但是，從傳熱的角度看輕水有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是常壓下沸點(diǎn)太低了。而根據(jù)熱力學(xué)原理，要使熱力系統(tǒng)有較高的熱能轉(zhuǎn)換效率，就要提高溫度；而要獲得高的溫度，就必須增加冷卻劑的系統(tǒng)的壓力使其處于液相狀態(tài)，其原理就好比我們?nèi)粘Ｊ褂玫母邏哄仭Ｒ虼藟核咽且环N使冷卻劑處于高壓狀態(tài)的輕水堆，現(xiàn)在我國(guó)大部分核電廠是壓水堆核電廠。

我國(guó)在1971年開(kāi)始進(jìn)行核電廠的研究和設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，我國(guó)迄今已經(jīng)建成和正在建設(shè)的核電機(jī)組已經(jīng)達(dá)到十幾套，先后建成了秦山、大亞灣、田灣等多個(gè)核電基地。秦山核電廠是我國(guó)大陸第一座核電廠。它是我國(guó)自行設(shè)計(jì)建造的30萬(wàn)千瓦原型壓水堆核電廠，于1985年開(kāi)工建設(shè)，1991年12月15日首次并網(wǎng)發(fā)電，1994年投入商業(yè)運(yùn)行，已有10多年安全運(yùn)行的良好業(yè)績(jī)，被譽(yù)為“國(guó)之光榮”。

值得一提的是，我國(guó)按照秦山核電站30萬(wàn)千瓦機(jī)組為原型向巴基斯坦出口了一座壓水堆核電廠，這也是我國(guó)第一座出口核電站，于2000年6月投入運(yùn)行。

壓水堆代表電站：秦山核電站30萬(wàn)千瓦機(jī)組

在壓水堆中，冷卻劑回路的水通過(guò)堆芯時(shí)被加熱，隨后在蒸汽發(fā)生器中將熱量傳給二回路的水使之沸騰產(chǎn)生蒸汽。沸水堆（英文簡(jiǎn)稱(chēng)bwr）與之相比則省去了一個(gè)回路，直接在堆內(nèi)沸騰產(chǎn)生蒸汽。

同為輕水堆，沸水堆與壓水堆相比有兩個(gè)不同點(diǎn)：第一是省掉了一個(gè)回路，因而不再需要昂貴的蒸汽發(fā)生器；第二是工作壓力可以降低，為了獲得與壓水堆同樣的蒸汽溫度，沸水堆只需加壓到7mpa左右，比壓水堆低了一倍。

為了確保能源的穩(wěn)定供應(yīng)以及更大的發(fā)電量以支持發(fā)展，我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)于上世紀(jì)60年代末就決定興建核電廠。截止到2013年2月，臺(tái)灣有在運(yùn)核電機(jī)組6臺(tái)，在建機(jī)組2臺(tái)。這些機(jī)組中，馬鞍山核電站為西屋we-312型壓水堆，其余均為沸水堆。在建的2臺(tái)機(jī)組采用了第三代核電技術(shù)——先進(jìn)沸水堆（abwr）。

其中的金山第一核電廠（簡(jiǎn)稱(chēng)核一廠）是臺(tái)灣地區(qū)最早的核電站，一號(hào)機(jī)組于1970年核準(zhǔn)興建，1971年開(kāi)始施工，1977年11月并網(wǎng)發(fā)電，1978年12月10日開(kāi)始商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)。二號(hào)機(jī)組則于1979年7月15日開(kāi)始商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)。

沸水堆代表電站：臺(tái)灣核一廠

重水和輕水的熱物理性能差不多，主要差別是由重水的核特性決定的。重水和輕水的核特性相差很大，這個(gè)差別主要表現(xiàn)在與中子的相互作用上面。重水的優(yōu)點(diǎn)是它與堆芯內(nèi)的熱中子幾乎不發(fā)生像輕水那樣的吸收反應(yīng)，因此可以有較高的中子經(jīng)濟(jì)性。以重水慢化的反應(yīng)堆，可以采用天然鈾作為核燃料。由于重水吸收熱中子的幾率小，所以重水慢化的反應(yīng)堆，中子除了維持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)之外，還有較多的剩余中子可以用來(lái)使238u轉(zhuǎn)變?yōu)?39pu，使得重水堆不但能用天然鈾實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，而且比輕水堆節(jié)約天然鈾大約20％。

重水堆由于使用天然鈾作燃料，堆芯的后備反應(yīng)性必然較少，因此需要經(jīng)常將燒過(guò)了的燃料元件卸出堆外，補(bǔ)充新燃料，因此同樣功率的重水堆核電廠產(chǎn)生的乏燃料數(shù)量要比壓水堆多。為了電站的發(fā)電效率，不能經(jīng)常為此而停堆裝卸核燃料，所以要求重水堆核電廠能夠進(jìn)行不停堆換料。

秦山第三核電廠是中國(guó)和加拿大合作建造的我國(guó)第一座重水堆核電廠，裝有兩臺(tái)72.8萬(wàn)千瓦核電機(jī)組。它于1998年6月8日開(kāi)工建設(shè)。1號(hào)機(jī)組于2002年11月19日實(shí)現(xiàn)首次并網(wǎng)，2002年12月31日投入商業(yè)運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組于2003年6月12日并網(wǎng)發(fā)電。

秦山三廠兩臺(tái)機(jī)組在滿(mǎn)功率運(yùn)行期間有21根不銹鋼調(diào)節(jié)棒組件長(zhǎng)期插在堆芯，用以展平中子通量，若將其全部不銹鋼調(diào)節(jié)棒組件更換成鈷59調(diào)節(jié)棒組件，通過(guò)中子輻照，便可以大量生產(chǎn)鈷60輻射源，從而生產(chǎn)鈷60同位素。目前秦山三廠兩臺(tái)機(jī)組作為國(guó)內(nèi)“唯二”，生產(chǎn)的同位素鈷60大概能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)80%的需求，而此前，這全部都得依靠進(jìn)口。鈷60是金屬元素鈷（co）的放射性同位素，是食品保鮮、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域不可或缺的。

值得一提的是，中核集團(tuán)于2014年9月與阿根廷簽署了重水堆項(xiàng)目框架合同，在核電走出去歷史上又邁出了新的腳步。

重水堆代表電站：秦山第三核電廠

氣冷堆代表電站：石島灣核電高溫氣冷堆核電站在建

輕水和重水統(tǒng)稱(chēng)為水，因此輕水堆和重水堆可統(tǒng)稱(chēng)為水堆或水冷堆。除了用水冷卻外，還有用氣體作為冷卻劑的氣冷堆。

高溫氣冷堆是一種安全性、經(jīng)濟(jì)性好的新型核反應(yīng)堆，它改用氦氣作冷卻劑，石墨作慢化材料，采用包覆顆粒燃料和石墨構(gòu)成的球形燃料元件，并采用全陶瓷的堆芯結(jié)構(gòu)材料。高溫氣冷堆發(fā)電效率很高，并可用于煤的液化和氣化、稠油熱采、制氫等，在未來(lái)的能源系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于改善環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

高溫氣冷堆的核燃料，是用溶膠凝膠法，將二氧化鈾或碳化鈾制成直徑小于1mm的小球，其外部包裹著熱解碳涂層和碳化硅涂層。球形元件堆放時(shí)，彼此間有空隙可供氣體流過(guò)。由于每顆燃料小球有多層包殼，而且每顆燃料小球之間都有石墨包圍，所以這種燃料元件在堆內(nèi)幾乎不會(huì)破裂。

高溫氣冷堆的冷卻劑是氦氣，在氦循環(huán)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下不斷通過(guò)堆芯將裂變能帶出，進(jìn)行閉式循環(huán)。堆芯放在有石墨襯里的預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器內(nèi)。氦氣是一種惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑，容易凈化，不引起材料的腐蝕。由于余熱的份額少，又便于用空氣冷卻塔，熱污染少，因而這種堆可以建在冷卻水源不足的地方，比如說(shuō)我國(guó)的內(nèi)陸地區(qū)，而且事實(shí)也是如此，由中國(guó)核建、清華大學(xué)等單位投資的高溫氣冷堆項(xiàng)目就落于江西瑞金、湖南龍門(mén)。

因?yàn)樗踩院茫派湫葬尫帕可伲赃@種堆更能靠近大城市建造，從而可以減少能量輸送時(shí)的損失，英國(guó)、美國(guó)和西德先后建起了三座高溫氣冷試驗(yàn)堆。由于高溫氣冷堆在技術(shù)上具有水冷堆無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而在國(guó)際上引起了普遍重視。

石島灣核電高溫氣冷堆核電站示范工程是國(guó)內(nèi)第一座高溫氣冷堆示范電站，是世界上第一座具有第四代核能系統(tǒng)安全特征的20萬(wàn)千瓦級(jí)高溫氣冷堆核電站。石島灣核電廠址位于榮成市，高溫氣冷堆核電站示范工程已經(jīng)于2012年12月正式開(kāi)工建設(shè)。

快堆采用钚或高濃鈾作燃料，一般用液態(tài)金屬鈉作冷卻劑，不用慢化劑。快堆裝入足夠的核燃料后，由于維持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)后剩余的中子多，所以只要添加238u，由238u轉(zhuǎn)化成的239pu，除能滿(mǎn)足鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的繼續(xù)消耗外，還有較多剩余。熱中子堆核電廠是消耗核燃料生產(chǎn)電能的工廠，快堆核電廠則是可以同時(shí)生產(chǎn)核燃料和電能的工廠。快堆是當(dāng)前反應(yīng)堆發(fā)展的方向，將逐漸在各種類(lèi)型的核反應(yīng)堆中占主導(dǎo)地位。

世界上現(xiàn)有的、正在建造的和計(jì)劃建造的，都是鈉冷快堆。鈉的中子吸收截面小，比熱容大。它的沸點(diǎn)高達(dá)886.6℃，所以在常壓下可以有很高的工作溫度，而且在工作溫度下對(duì)很多鋼種腐蝕性小，無(wú)毒。因此鈉是快堆的一種很好的冷卻劑。

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆是我國(guó)第一座快堆，于1992年3月獲國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)立項(xiàng)，2000年5月開(kāi)工建設(shè)，已于2011年7月21日10點(diǎn)成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

鈉冷快堆代表電站：中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆

（部分內(nèi)容摘自果殼網(wǎng)原文標(biāo)題《核電反應(yīng)堆類(lèi)型及現(xiàn)狀》作者：俞冀陽(yáng)）