不同类型的核反应堆

从第一座核反应堆诞生至今，基于不同技术维度，多种核反应堆类型得到不同程度发展。按照核反应方式、中子能量等级、慢化剂种类、反应堆压力温度参数等内容，核反应堆可分为如图1－7所示类型。

中子按照能量大小可分为冷中子（能量小于10－4eV）、热中子（10－4eV－1eV）、慢中子（1eV－1keV）、中能中子（1keV－0.5MeV）和快中子（能量大于0.5MeV）。热中子的运动速度约几千米每秒，快中子的运动速度约几万千米每秒。铀－235、钚－239等易裂变核素可由热中子诱发裂变，铀－238、钍－232等可裂变核素则需由快中子诱发裂变。

图1－7　核反应堆的分类

铀－235是自然界中天然存在且易于发生裂变的核素，裂变释放的中子平均能量超过2MeV，需要将中子能量降低到适合热中子堆运行的能区，降低中子能量主要依靠其在运动过程中与其他原子核碰撞时的能量损失。经过反复试验比较发现，重水对中子的慢化效果最好，可以用天然铀（铀－235丰度0.71%）做核燃料，但重水价格昂贵且不易获取，普通水（轻水）对中子的慢化效果次之，需要用低浓铀（铀－235丰度要超过3%）做核燃料，普通水容易获得、经济实惠，故成为中子慢化剂的首选。

1.热中子堆

热中子堆，即主要利用热中子引发易裂变核素链式裂变并释放出能量的反应堆，是当前世界上主要的反应堆类型。按照慢化剂不同，热中子堆主要分为两种类型，即轻水堆和重水堆，轻水堆又分为压水堆和沸水堆。热中子堆用低浓铀作为核燃料，用水作为中子慢化剂和导出热量的冷却剂。

（1）压水堆

压水堆技术是目前最成熟、应用最广的反应堆类型，采用高压的水作为慢化剂和冷却剂，水在一回路压力边界内受压力作用不沸腾。

（2）沸水堆

沸水堆全称沸腾水反应堆，同样以水作为慢化剂和冷却剂。沸水堆与压水堆不同之处在于作为冷却剂的轻水是否发生沸腾。(www.xing528.com)

（3）重水堆

重水堆是用重水作为慢化剂，以重水或轻水作为冷却剂，以天然铀作燃料的反应堆。重水堆可以产生更多的中子，有利于生产放射性同位素。

（4）高温气冷堆

高温气冷堆是以铀－235作为核燃料、石墨作为慢化剂、二氧化碳或氦气作为冷却剂的反应堆。高温气冷堆固有安全性高，不会发生类似反应堆堆芯融化的严重事故，是国际上公认的四代反应堆技术发展方向之一。高温气冷堆不仅可以用于发电，其产生的近千摄氏度高温气体还可应用于制氢、海水淡化等多种场景。

2.快中子堆

快中子堆是主要利用快中子引发可裂变核素链式裂变并释放能量的反应堆，常简称为“快堆”。与热中子堆相比，快堆需要大量的快中子，因此不宜用水作为冷却剂，而常采用原子核较重的液态金属作为冷却剂，如金属钠、铅或铅铋合金等，和热中子堆相比，快中子堆的工程技术更为复杂。

快中子堆在运行过程中，可以实现核燃料的增殖，如把占绝大多数且不易裂变的铀－238，经过中子照射后转化成易裂变的钚－239，与乏燃料后处理配合可实现核燃料利用最大化和放射性废物最小化，具有较好的潜在经济效益和社会效益。

3.聚变堆

与核裂变不同，核聚变反应是两个较轻的原子核在特定的条件下聚合成一个大的原子核并释放出大量能量的反应堆。在地球上，人工核聚变反应最初是在核武器爆炸中实现，即利用原子弹爆炸时产生的高温，点燃氘氚（氢元素的两种同位素）发生聚变反应，释放巨大能量。

受控核聚变被认为是人类能源的终极解决方案。要实现核聚变，必须首先使轻原子核能够在足够接近的状态下保持足够长的时间（即“约束”），目前正在研究的约束方法有两种：一是磁场约束，二是惯性约束。受控核聚变技术难度极大，距实现商业应用还有待攻关。

截至2020年12月，全球在运的442台核电机组中，采用压水堆的机组有302台，占比超过68%。我国大陆地区除浙江秦山三期核电机组采用重水堆技术外，其余商运机组均为压水堆技术，下面主要以压水堆为例介绍核电厂的构成。