什么是反应堆？

在原子能的和平利用中，最典型的代是原子能，也称为核能。如果说原子弹的爆炸是铀-235或钚-239瞬间的、不受控制的核裂变链式反应的结果，那么原子能发电站所使用的能量就是铀-235或钚-239在长时间处于受控状态下的核裂变链式反应。能够人为控制核裂变反应速度并维持链式核裂变反应的装置称为反应堆。费米发明的反应堆用于生产钚-239。这种反应堆称为生产堆。原子能发电站的核心也是反应堆，利用反应堆中核裂变反应产生的巨大热量，产生饱和蒸汽，带动燃气轮机发电。这种反应堆被称为动力反应堆。原子能发电和煤、石油发电的区别只是产生热量的装置不同。前者是原子反应堆，后者是燃煤燃油锅炉。

电抗器的类型很多，但主要由有源区、反射层、外压壳和屏蔽层组成。活性区由核燃料、慢化剂、冷却剂和控制棒组成。在核电站使用的反应堆中，压水堆是最具竞争力的类型(约61%)，沸水堆占一定比例(约24%)，重水堆使用较少(约5%)。压水堆的主要特点是:1)使用价格低廉、来源广泛的普通水作为慢化剂和冷却剂；2)为使反应堆内温度较高的冷却水保持液态，反应堆在高压下运行(水压约为15.5 MPa)，故称压水堆；3)由于反应堆内的水处于液态，驱动汽轮发电机组的蒸汽必须在反应堆外产生；这是通过蒸汽发生器实现的。来自反应堆的冷却水，即一次水，流入蒸汽发生器传热管的一侧，将热量传递给传热管另一侧的二次水，转化为蒸汽(二次蒸汽压力6-7 MPa，蒸汽温度275-290℃)。4)由于使用普通水作为慢化剂和冷却剂，热中子吸收截面较大，无法使用天然铀作为核燃料，必须使用浓缩铀(铀-235的含量为2-4%)作为核燃料。沸水堆和压水堆都属于轻水堆。和压水堆一样，它也是用普通水作为慢化剂和冷却剂。不同的是，蒸汽(压力约为7 MPa)在沸水堆中产生，直接进入燃气轮机发电。不需要蒸汽发生器，一回路和二回路之间没有区别。该系统特别简单，工作压力低于压水堆。但沸水堆的蒸汽具有放射性，应采取屏蔽措施，防止放射性泄漏。重水堆使用重水作为慢化剂和冷却剂，由于其热中子吸收截面比普通水小得多，因此天然铀可以作为重水堆的核燃料。所谓热中子，是指铀-235原子发出的快中子裂变时，速度减慢到2200 m/s，能量约为1/40 eV的中子。热中子引起铀-235核裂变的可能性比被铀-238原子核俘获的可能性大190倍。这样，在以天然铀为燃料的重水反应堆中，核裂变链式反应可以继续进行。由于重水慢化中子的效能不如普通水，因此重水堆的堆芯比轻水堆大得多，这给压力容器的制造带来了困难。重水堆仍然需要配备蒸汽发生器，一回路中的重水给蒸汽发生器带来热量，传递给二回路中的普通水，产生蒸汽。重水堆最大的优点是用天然铀代替浓缩铀作为核燃料，但阻碍其发展的一个重要原因是很难获得重水，因为它在天然水中只占1/6500。

前苏联于1954年建成了世界上第一座原子能发电站，为人类和平利用原子能翻开了新的一页。英国和美国分别于1956年和1959年建成了原子能发电站。截至2004年9月28日，世界上31个国家和地区共有439座发电用核反应堆，总容量3.646亿千瓦，占世界总发电容量的16%。其中，法国已建成59座用于发电的核反应堆，核能发电量占其总发电量的78%；日本建了54栋，原子能发电占其总发电量的25%；美国建了104栋，原子能发电量占其总发电量的20%；俄罗斯建了29栋，原子能发电量占其总发电量的15%。中国在1991建成了第一座核电站，包括这座，现在有9座核电反应堆在运行，总容量为660万千瓦。中国正在建设另外两座反应堆。中国还为巴基斯坦建造了一座原子能发电站。

原子能发电相对于常规发电的主要优势是:1)能源集中度高，燃料成本低，综合经济效益好。1公斤铀-235或钚-239提供的能量理论上相当于2300吨无烟煤。在目前的实际应用中，1公斤天然铀可替代20-30吨煤。虽然原子能发电的一次性基建投资大，但核燃料的成本比煤和石油便宜得多。因此，原子能发电的总成本已经低于常规发电。2)由于所需燃料量少，不受运输和储存的限制。比如一个654.38+0万千瓦的常规电厂，一年需要烧300万吨煤，平均每天需要1万吨煤。利用原子能发电，一年只需要30吨核燃料。3)对环境的污染轻。原子能发电不排放CO、SO2、NOX等有害气体和固体颗粒，也不排放产生温室效应的二氧化碳。原子能发电站每天排放的放射性废气和废液很少，周围居民受到的辐射剂量小于天然本底的1%。发生释放大量放射性物质的严重事故的概率极低。在世界10000反应堆年的运行历史中，仅发生过一次厂外切尔诺贝利事故，事故原因是操作人员的违规操作和反应堆本身的设计缺陷(缺乏必要的安全屏障)。你可能听说过美国三里岛核电站的事故，那次事故是由人为疏忽和设备故障造成的。因为反应堆有几道安全屏障，所以事故中没有人死亡，80公里内200万人的平均辐射剂量还不到戴夜灯手表一年的辐射剂量。

可能有人会问，反应堆会像原子弹一样爆炸吗？这至少有三个原因:1)原子弹使用的核燃料90%以上是裂变铀-235，而发电反应堆使用的核燃料只有2-4%是裂变铀-235；2)反应堆装有由易吸收中子的材料制成的控制棒，通过调节控制棒的位置来控制核裂变反应的速度；3)冷却剂不断带出反应堆内核裂变反应产生的巨大热量，从而将反应堆内的温度控制在要求的范围内。

也有人会问，为什么有些国家不轻易转让原子能发电技术？这是因为当反应堆用于发电时，反应堆中也会产生一定量的钚-239(除了大部分中子轰击铀-235原子核使其裂变外，仍有部分中子被铀-238原子核俘获使后者变成钚-239)。反应堆中产生的钚-239 50%以上被中子轰击裂变，释放能量，增殖核燃料；不到50%的剩余钚-239留在反应堆中。)，经过再处理后，钚-239可以被提取出来，用于制造原子弹。重水反应堆产生的钚-239大约是压水反应堆的两倍。

推进功率

反应堆产生的热量被带到蒸汽发生器，蒸汽发生器产生的饱和蒸汽驱动汽轮机提供推进动力。我们熟悉的核潜艇、核动力航母、原子破冰船，都是靠原子能推进的。

由于常规潜艇无可比拟的优势，核潜艇成为了现代海军中的主力战舰。核潜艇的主要优势是:1)续航能力大。续航能力是指一种燃料可以连续航行的距离。对于核潜艇来说，水下续航能力可以达到75000海里；而常规潜艇的水下续航能力只有100-400海里(与航速有关)，因为它是靠电池在水下推进的，需要每隔一段时间浮出水面或浮到通气管的深度，用柴油发电机组给电池充电。2)速度高。核潜艇水下航速可达30节以上(1节为1节)，常以最大航速航行；而常规潜艇水下最大航速是15-20节，但由于电池的限制，一般不会以最大航速航行。3)隐蔽性能好。核潜艇在水下停留时间约2500小时，常规潜艇只停留10-20小时。世界上已经建造了约500艘核潜艇，装备了近700座反应堆，超过了为核能发电建造的反应堆总数。1971年，中国建造了第一艘核潜艇，试航成功。从65438到0988，中国成功完成了从水下核潜艇发射弹道导弹的试验。

核动力航母还具有高速续航能力大的优势。可以长时间保持30节以上的速度，不用担心油耗。它不仅不需要后勤舰队加油，而且携带的航油和武器是同级常规航母的两倍。其续航能力为654.38+0万海里。世界上第一艘核动力航母是美国在1960年建造的航母企业。俄罗斯和法国也有核动力航母。

世界上第一艘原子破冰船是前苏联在1959年建造的。与常规动力破冰船相比，具有突出的优势:1)由于不需要储备大量燃油，船舶的载重能力不会因燃油消耗而降低，破冰能力始终保持不变；2)轴功率可达75000马力，可在冰层厚度2.0-2.5米的北极地区航行；而常规破冰船的轴功率在25000马力左右，一般只能在冰厚0.7-0.9米的地方航行；3)耐力不限。

供热

利用反应堆产生的能量直接加热有着非常广阔的市场。例如，建造一座20万千瓦的低温供热堆，每年仅消耗1吨二氧化铀，可为500万平方米的建筑供热。为同一建筑面积供暖的锅炉每年需要燃烧30万吨煤。与15时期相比，核供热的成本比燃煤供热更便宜。前苏联、加拿大、瑞典和中国都为寒冷地区建造了低温供热堆。

核反应堆主要由以下几部分组成:

(1)活动区域。这是链式反应发生的地方，里面有核燃料和中子慢化剂。核燃料是指产生连锁反应的裂变材料。反应堆使用天然铀、浓缩铀(铀235的含量比天然铀多)、钚和铀233。慢化剂是用来减缓中子速度的，因为裂变释放的中子速度很高，而容易裂变铀235的是中子(热中子)。理想的慢化剂是一种不吸收或很少吸收中子的物质。例如重水(D2O，一种重氢和氧的化合物)、石墨、氧化铍等。普通水也可以用作浓缩铀燃料的慢化剂。

在活性区，核燃料通常制成棒或块插入慢化剂中，部分核燃料和慢化剂混合均匀。

(2)中子反射层。用于防止中子飞出有源区，以减少中子的损失，一般使用石墨或氧化铍。

(3)控制调节系统。链式反应的速度很快，每秒可以产生1千个中子。如果不加以控制，会在极短的时间内释放出巨大的能量使铀爆炸，这就是原子弹。因此，控制调节系统是反应器的关键部分，用于控制链式反应的速度，调节反应器的功率，使反应器启动或停止工作。

控制系统主要由强吸收中子的镉或硼制成的控制棒和相应的自动控制系统组成。反应强烈时，反应堆内的控制棒会插得更深，会增加吸收的中子，减缓链式反应；相反，如果将控制棒拉出活动区，反应速度会加快。

(4)冷却系统。反应堆中核裂变释放的能量大部分转化为热能。反应器中的温度非常高。通常以普通水、重水和液态金属钢为冷却剂，输送反应堆内的热量，然后通过换热装置将水变成高压高温蒸汽，推动汽轮机发电。另一方面，冷却的冷却剂被压回到反应堆中供进一步使用，它在一个封闭的循环系统中流动。

(5)保护层。核裂变时不仅释放中子，裂变后的产物中还释放出大量的β射线和γ射线。为了防止这些射线对人体的伤害，反应堆的外层要砌上厚厚的混凝土保护层。