第四节
百花齐放“堆”满园

当人类迈入了和平利用核能的崭新时代，一时间，世界各国均投入了相当的人力物力进行核反应堆的相关研究。在这条滚滚而来的核电技术发展之河中，人类的智慧倾泻而出，迸发出无数闪耀的创意。早期的核电站多条技术路线并进，堆型多样，各种反应堆概念呈现百花齐放的局面。

人类由此迎来了核电技术发展的实验示范阶段。

这一时期横跨20世纪50年代中期至60年代初，研究主要集中在美国、苏联、英国、法国等少数几个国家，联邦德国和日本由于被禁止在二战后10年内进行核研究，因而核能技术应用起步较晚。1954—1965年间世界共有38个机组投入运行，苏联建成5兆瓦的石墨沸水堆，美国建成60兆瓦的原型压水堆，法国建成60兆瓦的天然铀石墨气冷堆，加拿大建成25兆瓦天然铀重水堆，但它们都属于早期原型反应堆，即“第一代”核电站，几万千瓦的发电功率只是现在动辄百万千瓦核电站的零头，只能带动一个大型社区，主要目的基本都是试验和示范。

直到今天，核电发展已历经“数代”，可公众对核电的初印象仍停留在“烧开水”，这是因为在核电站的工作过程中，核能转变成了推动汽轮机做功的蒸汽内能。只要再深入了解一些，就会像上文提到的那样，撞上“轻水堆（含压水堆、沸水堆）、重水堆、石墨堆、气冷堆、快堆”等各种各样的“堆”。这么多种“堆”堆在我们的脑子里，人们关于核电的深入印象，也就只剩下“花式烧开水”了。

繁多“堆型”的差别不是“花式”这两个字能解释清楚的。

根据慢化剂的不同，我们可以划分出同属于“热中子堆”的轻水堆、石墨堆、重水堆等；根据冷却剂的不同，反应堆又可以分为水冷堆、气冷堆、钠冷堆等；进一步按照核电站“锅炉”——反应堆的特征来分类，轻水堆/水冷堆又可以再划分为沸水堆和压水堆。

冷却剂与慢化剂

慢化剂，又称中子减速剂。以铀-235为例，原子在裂变的时候会释放中子，但释放的中子速度很快，远远超过了其他铀原子可以捕获它的速度，这时候需要慢化剂发挥功能，降低中子的速度，让链式反应持续进行下去。于是，科学家们开始寻找那些能让快中子“冷静”下来的介质。

通常用于反应堆慢化剂的有三种材料：

● 轻水（H ₂ O），就是我们生活中的常见的水，轻水的慢化能力强，而且价格低廉，但吸收截面积较大，吸收截面指入射粒子被靶核吸收的概率，这也意味着使用轻水作慢化剂时，会有较多的中子被水吸收，而不能用于链式反应，进而需要更高浓度的铀-235。

● 重水（D ₂ O）的吸收截面小，这样就可以使用天然铀作为燃料，但缺点就是重水的价格很高，一毫升重水的价格大概在20~50元人民币。

● 最后一种材料是石墨，石墨作为慢化剂时有耐高温的优点，而且相对重水来说，价格要低得多。

冷却剂是核电站正常工作时不可缺少的一个部分，它的主要功能是冷却核反应堆的堆芯，并将堆芯所释放的热量转移出核反应堆。为了使冷却效率尽可能高，冷却剂需要具有以下特点：具有较高的传热性、流动性，高沸点，低熔点，对热和辐射有良好的稳定性，中子吸收截面要小，最好还能具有较大的热容量以拥有较高的载热能力。

常见的冷却剂可以分为气态和液态两种，其中，常见的气态冷却剂有二氧化碳和氦气。液态冷却剂有轻水、重水、液态金属。

想要了解它们的原理及差异，我们需要回溯核电技术的长河，找寻这些堆型的绰约身影。

压水堆
——来点儿压力

1955年1月17日上午，美国康涅狄格州（Connecticut）的小城格罗顿（Groton）迎来了一艘新下水潜艇的试航。当潜艇缓缓驶离系泊码头，刚一驶入主航道，艇上的信号兵就用灯光发出了具有划时代意义的信号：

“我艇正在使用核动力航行！”

这是人类历史上的第一艘核潜艇，被命名为“鹦鹉螺”（Nautilus）号，以致敬儒勒·凡尔纳（Jules Gabriel Verne）的科幻小说《海底两万里》。但很多人不知道的是，世界上第一艘核潜艇使用的动力源正是一座由西屋公司生产的S2W压水堆。从此，压水堆进入了人们的视野。

压水堆，全称“加压水慢化冷却反应堆”，这个拗口的名字里包含了多重意思：水是慢化剂、水是冷却剂、水的压力很高、一回路传热处在不沸腾状态。

1957年，世界第一座压水堆核电站美国希平港（Shippingport）核电站建成。

和十多年前费米在芝加哥大学制造的石墨堆相比，压水堆具有结构紧凑、体积小、功率密度高、平均燃耗较深、放射性裂变产物不易外逸、良好的功率自稳自调特性、较安全可靠等优点，这也是当初它被美国海军选中的直接原因。其一回路、二回路隔离的结构极大改善了沸水堆的缺陷，使放射性物质不与外界接触这一特性，也在安全性及公众的接受程度上获得了极大的优势。目前全世界正在运行的400多座核电站里有300多座是压水堆。

西屋公司在压水堆发展过程中起到了举足轻重的作用。其推出的Model212、Model312、Model314、Model414系列压水堆成为二代压水堆典型代表。各国典型的压水堆型号还有美国的PWR、System80，法国在西屋公司标准四环路设计基础上研发的P4、N4，以及在美国M312基础上改进而来的“经典”M310，俄罗斯VVER系列等，德国的Konvoi等。目前，全球范围内已经出现了大量第三代压水堆型号，我们将在后文做进一步介绍。

压水堆和沸水堆由于同样使用了“普通的水”，也合称为“轻水堆”。有“轻”自然就有“重”，轻重之分究竟在哪里呢？

沸水堆
——水真的烧开了

就像子弹射入水中会减速一样，人们很快意识到“水”这个最熟悉的老朋友可以用作慢化剂。一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，当一个速度很快的中子撞到氢原子时，它的速度就会减慢，当经过多次碰撞后，中子的速度就可以降到一个能够和铀原子相撞发生反应的速度了。

1960年7月，美国建成德累斯顿（Dresden-1）沸水堆核电厂，同时其他国家也在进行相关工程实践，正是这种不约而同的默契，开启了一支和压水堆完全不同的技术路线。

和压水堆用水加热水的过程不同，沸水堆的原理非常直接：反应堆产生热量把水加热成蒸汽，蒸汽推动汽轮机转动发电。

沸水堆有一定的缺点，就像开窗通风会把蚊子请进屋内那样，图中橙色部分所代表的蒸汽会直接冲进汽轮机，它们所带来的不仅仅是强大的动能，还有令人生厌的放射性，这使得厂房需要屏蔽，就增加了检查和维修的困难。

但是沸水堆的优点也同样明显，水能够直接被核燃料加热转化为蒸汽，这使得自身压力相对较低。压水堆的堆芯中流的是15兆帕的水，加热二回路后产生的蒸汽只有7兆帕左右，而沸水堆的堆芯压力和蒸汽一样，都可以达到7兆帕以上。所以沸水堆的设备相对来说更少，但产热效率却更高。

美国沸水堆实验项目（BORAX）陆续建成的BORAX-1至BORAX-5以及实验沸水堆（EBWR）成为沸水堆的“开山鼻祖”。典型的商用沸水堆型号有美国通用公司的MARK1、BWR-2~BWR-6以及ABWR等。

重水堆
——只多一笔

所谓水之轻重，顾名思义，“重水”就是比“轻水”要重一些。

重水和普通水一样，也是由氢和氧化合而成的液体化合物，两者在外观上没有任何区别。不过，重水分子和普通水分子的氢原子有所不同。我们知道，氢有3种同位素。中国的科学家和翻译家们用一撇代表一个质子，一竖代表一个中子，只多一笔，就创造了三个精妙的新字。

● 一种是氕（Protium），就像我们常用的笔画“丿（撇）”，也读作“piē”。它只含有一个质子。普通的水分子由两个只含有一个质子的氢原子和一个氧原子化合生成。

● 另一种是重氢——氘（Deuterium），就像“刀”字，读作“dāo”。它含有一个质子和一个中子。

● 还有一种是超重氢——氚（Tritium），就像“川”字，读作“chuān”。它含有一个质子和两个中子。

我们所说的重水分子，就是两个氘和一个氧组成的化合物，分子式为D ₂ O（D代表氘），相对分子质量为20.027 5，比水H ₂ O的相对分子质量18.015 3高出约11%，密度为1.105克/毫升，也大于水的1克/毫升，因此叫做重水。

20世纪50年代，世界各国争相发展核电的时候，加拿大既没有铀浓缩技术，又不具备制造大型反应堆压力容器工业基础，为了发展民用核电只好另辟蹊径，也因此成就了另一个经典技术路径——重水堆。

重水堆核电厂采用上文提到的重水D ₂ O作为慢化剂。轻水的慢化效果要好于重水，但轻水的吸收截面要大于重水，因此，轻水堆中核燃料使用浓度为3%~5%的低浓缩铀，就是为了弥补轻水吸收中子的能力及提高燃耗能力。当把反应堆中的轻水换为重水后，中子吸收截面降低，可以直接使用铀-235浓度极低（约为0.7%）的天然铀，就可以让堆芯维持链式反应。

最为经典的加拿大坎杜堆（CANDU）系列，其本体由一个装满重水的卧式容器的排管容器和上百根装载着核燃料的压力管组成。其主要原理和压水堆类似，同样是核反应放出热量加热高压水，高温高压的一回路水把蒸汽发生器里的二回路水加热成蒸汽，蒸汽推动汽轮机转动，带动发电机转动产生电能。

在加拿大CANDU系列中，CANDU6是最为经典的型号，即单机组容量为60万千瓦，后续又开发了CANDU9百万千瓦重水堆机型。

和沸水堆、压水堆都不一样，重水堆的核燃料是横向布置的，主要是为了实现不停机换料。这是因为重水堆使用的天然铀反应性后备量低，需要在运行期间使用特制的换料机器人从一端将乏燃料从压力管中捅出来，再从另一端塞入新燃料，随时为反应堆补充反应性。

石墨堆
——第一颗火种

就在费米摆弄着“芝加哥一号”原型堆，即将推开原子时代大门的时候，几乎是同时，德国实验物理学家波特（Bothe）也在测量中子于石墨中的吸收截面。不过，由于他的测量有误，而推迟了德国制造原子弹的进程。而天真的费米用石墨制造原型堆成功后，想立即发表这一划时代成果，却被哥伦比亚大学锡拉德（Leo Szilard）教授制止，在同事们的劝说下，费米才同意锡拉德的建议。

如果不是这样，历史将如何书写？

正如杨振宁所说：“ 如真的发表，则以后的历史可能会完全不一样。德国因此会知道波特的实验结果是错的……这件事对世界历史有决定性影响 。”

“芝加哥一号”堆建成以后，各国最初的核反应堆都是以石墨作为慢化剂，其中英、美、法等国主要发展石墨气冷堆技术，以生产钚为主要目的，发电为次要目的。然而，回望历史，正是这个让各国科学家不约而同选择的石墨，却在另一个大国手中发扬光大，又为人类带来了深重的灾难。

苏联正是世界上唯一发展石墨水冷堆核技术的国家，奥布宁斯克核电站（俄语：Обнинская АЭС）的建设是当时的最高机密，即使是身处建设工地的工人也不知道自己究竟在建造什么。直到1954年7月1日《真理报》刊登的一则新闻震惊了全世界：“ 苏联在科学家和工程师们的努力下已经成功完成世界上第一座民用核电站的设计和建造，净功率可达5 000千瓦（0.5万千瓦，即5兆瓦）。6月27日，这座核电站已经投入使用，为周边地区的工农业项目提供电能 。”这座被命名为“和平原子”（Atom Mirny）的石墨反应堆寄托了数以千计的苏联著名科学家和工程师共同的愿望，也真正点燃了人类和平利用原子能的第一颗时代火种。

在“和平原子”的基础上，苏联的石墨水冷堆技术路线不断发展，1973年并网发电的列宁格勒核电厂一号机组（RBMK-1000）堪称石墨水冷堆的极致。而同为石墨水冷堆的切尔诺贝利却又暴露出了这种反应堆存在固有安全性的缺陷。

在整体布局上，RBMK用石墨搭建了一个巨大的“蜂窝煤”结构，在蜂窝煤中，交替安装燃料棒、控制棒和冷却水管，中心放置启动中子源。在工作时，启动中子源释放中子启动第一次链式反应，释放的快中子通过石墨和冷却水进行减速，在下一级燃料棒再次产生核裂变，从而源源不断产生热能。

石墨堆的典型型号有苏联的RBMK系列石墨水冷堆，主力堆型为RBMK-1000和RBMK-1500两种。

快中子堆
——隐秘“快客”

前文提及的均为热中子反应堆，它们以铀-235为裂变燃料，在热中子堆中仅有极小一部分的铀-238能在裂变反应中被利用，目前天然铀资源的利用率在热堆中的利用率仅为1%~2%，大部分的铀资源（主要是铀-238）都被浪费掉了。要从根本上消除目前热中子堆对铀资源的浪费，使包括铀-238在内的铀资源在核反应堆中得到充分利用，就需要发展以铀-钚燃料循环为基础的快中子反应堆。

目前快堆常用的冷却剂有钠、铅（或铅铋合金）、氦气，使用钠和铅（或铅铋合金）进行冷却的快堆称为液态金属冷却快中子反应堆。快中子堆虽然不及热中子反应堆一样“名声大噪”，但是也有着相当长的发展历史。

快中子堆的典型型号有美国的EBR-I，日本的常阳堆和文殊堆，法国的狂想曲号、凤凰号和超级凤凰号，苏联（俄罗斯）的BN-350、BN-600和BN-800等，都是钠冷快堆。

形形色色的“堆”

在核电技术路线的“大花园”里，主流堆型像是最明艳的几朵花。但实际上它们也只是冰山一角，在“花园”的深处还有着形形色色的“堆”，它们各具特色的设计凝结着科学家们无数的创意，让了解它的人们不得不由衷地感叹人类的智慧。