摘要： 核反應(yīng)堆，是一種可以控制和維持自我連鎖反應(yīng)的裝置。核反應(yīng)堆主要用途是發(fā)電（核電廠）和作為船舶的動力裝置。 位于瑞士的一座小型研究反應(yīng)堆其中，一些反應(yīng)堆還被用來生產(chǎn)醫(yī)療和工...

核反應(yīng)堆，是一種可以控制和維持自我連鎖反應(yīng)的裝置。核反應(yīng)堆主要用途是發(fā)電（核電廠）和作為船舶的動力裝置。

位于瑞士的一座小型研究反應(yīng)堆

其中，一些反應(yīng)堆還被用來生產(chǎn)醫(yī)療和工業(yè)用的同位素或者生產(chǎn)武器級钚。截止2019年初，全球共有680座核反應(yīng)堆在運行，其中包括226座研究堆。現(xiàn)有的核反應(yīng)堆主要包括輕水堆，沸水堆，重水堆，高溫氣冷堆和熔鹽堆。下面將逐一介紹：

1.輕水堆

輕水堆中，冷卻劑起著減速劑的作用

這種反應(yīng)堆使用壓力容器來容納核燃料、控制棒、慢化劑和冷卻劑。離開壓力容器的熱放射性水通過蒸汽發(fā)生器循環(huán)，蒸汽發(fā)生器又將次級(非放射性)水環(huán)加熱成蒸汽，使渦輪機運轉(zhuǎn)。它們占據(jù)了當前反應(yīng)堆的大多數(shù)(約80%)。

VVER1000反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)

華龍一號示范工程航拍

美軍核動力航母編隊

輕水堆最新的典型代表有俄羅斯的VVER-1000，美國的AP1000，中國的華龍一號和歐洲的EPR。美國海軍軍艦上的反應(yīng)堆也都屬于這種類型。

2.沸水堆

福島核事故的反應(yīng)堆類型就是沸水堆

沸水堆就像沒有蒸汽發(fā)生器的壓水堆。冷卻水的較低壓力使其在壓力容器內(nèi)沸騰，產(chǎn)生運行渦輪機的蒸汽。與壓水堆不同，沒有主回路和副回路。這些反應(yīng)堆的熱效率更高，結(jié)構(gòu)也更簡單，發(fā)生兩次嚴重核事故（切爾諾貝利和福島核事故）的堆型都屬于沸水堆。

3.重水堆（CANDU）

秦山核電站的兩座重水堆（CANDU堆）

重水堆非常類似于壓水堆，但使用重水。雖然重水比普通水貴得多，但它具有更大的中子經(jīng)濟性(產(chǎn)生更多的熱中子)，允許反應(yīng)堆在沒有燃料濃縮設(shè)施的情況下運行。燃料不是像壓水堆那樣使用一個大型壓力容器，而是包含在數(shù)百個壓力管中。這些反應(yīng)堆以天然鈾為燃料，重水反應(yīng)堆可以在滿功率時加燃料，這使得它們在鈾的使用方面非常高效(這使得堆芯中的流量控制更加精確)。加拿大、阿根廷、中國、印度、巴基斯坦、羅馬尼亞和韓國都建造了重水堆。

4.高能通道反應(yīng)堆(RBMK)

切爾諾貝利核電站（RBMK，沸水堆）

RBMKs是一種蘇聯(lián)設(shè)計，在某些方面與CANDU相似，因為它們在動力運行期間可以重新加料，并采用壓力管設(shè)計。然而，與CANDU不同的是，它們非常不穩(wěn)定且體積龐大，使得它們的密閉建筑非常昂貴。RBMK的設(shè)計后來被發(fā)現(xiàn)了一系列嚴重的安全缺陷，盡管其中一些在切爾諾貝利災(zāi)難后得到了糾正。他們的主要特點使用輕水和未濃縮的鈾。RBMK反應(yīng)堆目前僅在前蘇聯(lián)時期部署了一部分。

4.高溫氣冷堆

高溫氣冷堆發(fā)電原理示意圖

由于工作溫度較高，這些設(shè)計與壓水堆相比具有較高的熱效率。有許多這種設(shè)計的運行中的反應(yīng)堆，大部分在英國，這一概念就是在那里發(fā)展起來的。高溫氣冷堆由于反應(yīng)堆堆芯體積大，退役成本可能會很高。

5.液態(tài)金屬快中子增殖反應(yīng)堆

這種反應(yīng)堆產(chǎn)生的燃料比消耗的多。它們“繁殖”燃料，因為會在運行過程中由于中子俘獲而產(chǎn)生裂變?nèi)剂?。就效率而言，這些反應(yīng)堆的功能非常類似于壓水堆，并且不需要高壓密封，因為液態(tài)金屬不需要保持高壓，即使在非常高的溫度下也是如此。該反應(yīng)堆主要有兩種類型，鉛冷堆和鈉冷堆。

（1）鉛冷堆

神秘的阿爾法級核潛艇

鉛冷卻使用鉛作為液態(tài)金屬提供了極好的輻射屏蔽，并允許在非常高的溫度下運行。此外，鉛對中子是可穿透的，因此冷卻劑中損失的中子較少，冷卻劑也不具有放射性。與鈉不同，鉛大多是惰性的，因此爆炸或事故的風(fēng)險較小，但從毒理學(xué)和處置的角度來看，使用如此大量的鉛可能是有問題的。這種類型的反應(yīng)器通常使用鉛鉍共晶混合物。在這種情況下，鉍會出現(xiàn)一些輕微的輻射問題，因為它對中子不太友好，而且比鉛更容易轉(zhuǎn)化成放射性同位素。俄羅斯阿爾法級潛艇使用鉛鉍冷卻快堆作為主要動力裝置。

（2）鈉冷堆

對于鈉冷堆，鈉相對容易獲得和使用，它還能有效防止浸入其中的各種反應(yīng)堆部件的腐蝕。然而，鈉在暴露于水時會劇烈爆炸，所以必須小心。日本的孟州反應(yīng)堆在1995年發(fā)生了鈉泄漏，直到2010年5月才得以重啟。

6.熔鹽堆(MSR)

熔鹽堆示意圖

熔鹽反應(yīng)堆將燃料溶解在氟化物鹽中，或者使用氟化物鹽作為冷卻劑。熔鹽反應(yīng)堆具有許多安全特性、高效率和適合車輛的高功率密度。值得注意的是，它們的核心沒有高壓或易燃成分。熔鹽堆使用釷作為燃料，作為一種增殖反應(yīng)堆類型，它可以對乏燃料進行再加工，提取鈾和超鈾元素，與目前使用的常規(guī)一次性鈾燃料輕水反應(yīng)堆相比，只留下0.1%的超鈾元素廢物。它們產(chǎn)生的少量放射性裂變產(chǎn)物不可再加工，需要像常規(guī)反應(yīng)堆一樣進行處理。