英國物理學(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了原子核的大門，為核能的利用開辟了廣闊的空間。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年由費米領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在美國芝加哥大學(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、中子能量分布形式、特殊的設(shè)計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，簡稱高溫氣冷堆；液態(tài)金屬冷卻堆的代表堆型是鈉冷快中子增殖堆，簡稱鈉冷快堆。反應(yīng)堆按用途分為研究堆、生產(chǎn)堆和動力堆等，生產(chǎn)堆主要是用于生產(chǎn)軍用钚和氚。下面，筆者將結(jié)合我國目前核電發(fā)展現(xiàn)狀大致介紹下常見堆型的情況。

壓水堆（英文簡稱pwr）最初是美國為核潛艇設(shè)計的一種堆型，然后逐漸發(fā)展到陸地上來。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6萬千瓦。五十多年來，這種堆型得到了很大的發(fā)展，經(jīng)過一系列的重大改進(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，這是因為輕水不僅價格便宜，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，同時也用作冷卻劑。但是，從傳熱的角度看輕水有一個明顯的缺點，就是常壓下沸點太低了。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)在我國大部分核電廠是壓水堆核電廠。

我國在1971年開始進(jìn)行核電廠的研究和設(shè)計。經(jīng)過幾十年的努力，我國迄今已經(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、田灣等多個核電基地。秦山核電廠是我國大陸第一座核電廠。它是我國自行設(shè)計建造的30萬千瓦原型壓水堆核電廠，于1985年開工建設(shè)，1991年12月15日首次并網(wǎng)發(fā)電，1994年投入商業(yè)運行，已有10多年安全運行的良好業(yè)績，被譽(yù)為“國之光榮”。

值得一提的是，我國按照秦山核電站30萬千瓦機(jī)組為原型向巴基斯坦出口了一座壓水堆核電廠，這也是我國第一座出口核電站，于2000年6月投入運行。

壓水堆代表電站：秦山核電站30萬千瓦機(jī)組

在壓水堆中，冷卻劑回路的水通過堆芯時被加熱，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（英文簡稱bwr）與之相比則省去了一個回路，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不同點：第一是省掉了一個回路，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，我國臺灣地區(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，臺灣有在運核電機(jī)組6臺，在建機(jī)組2臺。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（簡稱核一廠）是臺灣地區(qū)最早的核電站，一號機(jī)組于1970年核準(zhǔn)興建，1971年開始施工，1977年11月并網(wǎng)發(fā)電，1978年12月10日開始商業(yè)運轉(zhuǎn)。二號機(jī)組則于1979年7月15日開始商業(yè)運轉(zhuǎn)。

沸水堆代表電站：臺灣核一廠

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，這個差別主要表現(xiàn)在與中子的相互作用上面。重水的優(yōu)點是它與堆芯內(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使238u轉(zhuǎn)變?yōu)?39pu，使得重水堆不但能用天然鈾實現(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和加拿大合作建造的我國第一座重水堆核電廠，裝有兩臺72.8萬千瓦核電機(jī)組。它于1998年6月8日開工建設(shè)。1號機(jī)組于2002年11月19日實現(xiàn)首次并網(wǎng)，2002年12月31日投入商業(yè)運行，2號機(jī)組于2003年6月12日并網(wǎng)發(fā)電。

秦山三廠兩臺機(jī)組在滿功率運行期間有21根不銹鋼調(diào)節(jié)棒組件長期插在堆芯，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。目前秦山三廠兩臺機(jī)組作為國內(nèi)“唯二”，生產(chǎn)的同位素鈷60大概能滿足國內(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)稱為水，因此輕水堆和重水堆可統(tǒng)稱為水堆或水冷堆。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，在未來的能源系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，對于改善環(huán)境、實現(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，彼此間有空隙可供氣體流過。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)動下不斷通過堆芯將裂變能帶出，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，比如說我國的內(nèi)陸地區(qū)，而且事實也是如此，由中國核建、清華大學(xué)等單位投資的高溫氣冷堆項目就落于江西瑞金、湖南龍門。

因為它安全性好，放射性釋放量少，所以這種堆更能靠近大城市建造，從而可以減少能量輸送時的損失，英國、美國和西德先后建起了三座高溫氣冷試驗堆。由于高溫氣冷堆在技術(shù)上具有水冷堆無法比擬的優(yōu)點，因而在國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20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站。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很多鋼種腐蝕性小，無毒。因此鈉是快堆的一種很好的冷卻劑。

中國實驗快堆是我國第一座快堆，于1992年3月獲國務(wù)院批準(zhǔn)立項，2000年5月開工建設(shè)，已于2011年7月21日10點成功實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

鈉冷快堆代表電站：中國實驗快堆

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