用于发电的核反应堆有哪些不同的类型？

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反应堆的设计者必须做几个选择：在核反应过程中采用减速的中子还是快中子；使用什么类型的冷却剂来防止反应堆堆芯熔化；加压冷却剂使它保持液态，让它在反应堆容器中沸腾，还是使用气体作为与反应堆堆芯接触的工作流体。

减慢中子速度的主要原因是增大裂变的可能性。慢中子，或使用另一术语“热中子”，比快中子具有更高的引发铀-235裂变的概率，铀-235是反应堆燃料的主要裂变资源。减慢中子速度需要慢化剂。慢化剂是由那些与快中子作用相对快，能把快中子的速度降低到热能水平的物质制成的。想象一下一个桌球撞击另一个桌球时的情况。静止的桌球动了起来，运动的桌球慢了下来。再想象一下，桌球是放在无摩擦力的桌面上的，所以运动的桌球只能通过碰撞把能量转移到另一个桌球上。通常，运动的桌球只要经过少数几次碰撞，就能转移它们的能量，从而明显地慢下来。

把这种类比应用到反应堆上时，我们看到的是一个中子通过碰撞，能够把它的动能迅速地转移给另一个中子或质子，质子质量与中子质量几乎相等。根据动量守恒定律和能量守恒定律的数学计算方法，动能的转移发生在两个质量相等的物体之间时最为有效。由于这个事实，原子核中只含有1个质子的物质可以最有效地减慢中子的速度。水就是这样一种常见的物质，它是由2个氢原子和1个氧原子组成的。每个氢原子的原子核中包含1个质子。水资源十分丰富，可以用作冷却剂和慢化剂。使用慢化剂的反应堆叫“热中子反应堆”，因为它们主要依赖热能中子引发裂变。

目前大量运行的商业反应堆是热中子反应堆。这些反应堆通常用水作为慢化剂和冷却反应堆堆芯的介质。但是有一些设计，水主要是作为冷却剂，石墨——碳的一种同素异构体——作为慢化剂。例如，所谓的切尔诺贝利型反应堆(石墨核反应堆，缩写词为RBMK)就具有这样的设计特点。这些反应堆中有11座在俄罗斯运行。

对于那些慢化剂和冷却剂都使用水的反应堆来说，水的类型的选择强烈地影响燃料的选择。普通的水叫“轻水”，以与“重水”区别，重水是由2个重氢(氘)的原子与1个氧原子化合而成的。初看起来，轻水对于快中子的快速减速是理想的，因为组成轻水原子的质子几乎与中子有相等的质量，其道理在前面已提到过。作为比较，氘原子具有2倍于中子的质量，因为在它的核内有1个质子和1个中子，所以碰撞时动能的转移不够理想。这里面有一个复杂因素，轻水对中子有黏滞性。那就是说，在每一次中子和质子的碰撞中，这两种粒子有很小的机会结合形成氘原子。问题是，对裂变来说，这样就失去了中子。相反，重水俘获中子的机会要小得多。在权衡能量转移的快速性和对中子的黏滞性之间的利弊得失后，人们发现重水是一种更好的慢化剂。结果是重水反应堆为裂变提供更多的热中子。这意味着，天然铀和具有相对低浓度的可裂变物质铀-235能够用作这种类型的反应堆的燃料。

另一方面，轻水反应堆需要用浓缩铀(这就要增加铀-235的浓度)以补偿热中子供应不足。实际上，就是需要更多的“靶”(铀-235)，让较少的“子弹”(中子)射击，以此来维持核反应的进行。轻水反应堆在商业反应堆中是占主导地位的反应堆类型，美国所有的反应堆均为这种类型，全世界80%以上的反应堆也属于这一类型。

加拿大的核工程师们开发了一种名为CANDU的重水反应堆，CANDU是 Canadian Deuterium Uranium(加拿大氘铀)的缩写。除加拿大外，印度和韩国也有CANDU型反应堆。CANDU型反应堆通常以天然铀——在陆地上和海洋中天然存在的那种铀——为燃料，不过它们对燃料的要求很灵活，可以用稍微浓缩的铀和低浓缩铀，也可使用从轻水反应堆生成的乏燃料中提炼出来的再生材料。添加燃料时，CANDU型反应堆不必停止运行，这为连续发电提供了方便。但它也提供了一条潜在的转移钚的通道，因为外部观察者将不能通过监视(如通过观察CANDU型反应堆工厂的卫星图像)知道应该什么时候添加燃料。与之相较，轻水反应堆为了添加燃料，就必须停止运行。这样一来，就可以通过卫星图像监测水蒸气排放的情况，从而了解反应堆何时需要添加燃料，因为反应堆运行时一定有水蒸气从冷却塔中排放出来。

图1.2 压水反应堆核电厂示意图

使用水(不管是轻水还是重水)作为冷却剂的反应堆，还可以根据水是否被加压来进一步区分其类型。压水反应堆(pressurizedwater reactor，PWR)使用两个水循环。图1.2描绘了压水反应堆核电厂的主要部分。主回路使水流经反应堆堆芯，并施加足够的压力来防止水沸腾，却又可以将水加热至较高温度。如在前面所提到的，在此回路中热水的大部分能量被传递给第二个回路中的蒸汽发生器。在蒸汽推动涡轮机旋转后，又凝结成为液态的水，并被一个给水泵抽到蒸汽发生器中，完成一个循环。

图1.3 沸水反应堆核电厂示意图

相比之下，沸水反应堆(boilingwater reactor,BWR)只用一个回路把反应堆堆芯的能量转移到涡轮机。图1.3描绘了沸水反应堆核电厂的主要部分。在反应堆堆芯的上部，但仍在反应堆容器中，水可以沸腾。与压水反应堆一样，沸水反应堆的蒸汽推动涡轮机旋转后，凝聚成液体。在美国的104座商业反应堆中，有2/3是压水反应堆，另外1/3是沸水反应堆。全世界60%以上的反应堆是压水反应堆，沸水反应堆的占比略高于20%。

快中子反应堆(简称“快堆”)用高能中子引发裂变。所以，这些反应堆不使用慢化剂，但是它们需要冷却剂来防止堆芯熔化，以及把来自核能的热能传递到发电机中发电。因为用快中子引发铀-235裂变并不是最佳选择，所以快堆需要高度浓缩的铀、钚和其他类型的能有效使用快中子的易裂变材料。因为快堆存在一系列的安全问题，而且热中子反应堆已经不那么昂贵了，所以现在只有非常少的快堆还在运行。完全封闭燃料循环的支持者声称快堆是必需的，因为它们可以将寿命长的放射性材料燃烧殆尽。尽管对于快堆是否足够安全、成本效益如何存在不同观点，大多数专家认为广泛部署这些系统应该也就是再过几十年的事情。

最后，有一些运行中的商业反应堆使用气体作为冷却剂。特别是英国设计的先进气冷反应堆(advanced gascooled reactor，AGR)，使用二氧化碳作为冷却剂，石墨作为慢化剂。此外，针对球床反应堆(pebble bed reactor，PBR)也进行了一些实验性研究。球床反应堆是一种先进的气冷、石墨慢化反应堆，它使用了数千颗嵌入石墨中的铀燃料球。球床反应堆的设计本质上是安全的，只有反应堆熔化这种极其微小的危险。然而设计者们为了让公众对此种设计更为放心，仍然用了那些用于传统反应堆的安全措施。其他的下一代反应堆将在后面讨论。