重水堆

    重水堆在几十年的发展中，已派生出不少类型。按结构划分，重水堆可以分为压力管式和压力壳式，但目前达到商用的只有加拿大发展的压力管卧式重水堆，称为CANDU型重水堆。采用力管时，冷却剂可以与慢化剂相同也可不同。压力管式重水堆又分为立式和卧式两种。采用立式时，压力管是垂直的，可采用有机物、气体、加压重水或沸腾轻水冷却；采用卧式时，压力管水平放置，不宜用沸腾轻水冷却。压力壳式重水堆只有立式，冷却剂与慢化剂相同，可以是加压重水或沸腾重水，燃料元件垂直放置，与压水堆或沸水堆类似。

   重水堆的主要优点

    重水和轻水的热物理性能差不多，主要差别是由重水的核特性决定的。重水和轻水的核特性相差很大，这个差别主要表现在与中子的相互作用上面。重水的优点是它与堆芯内的热中子几乎不发生象轻水那样的吸收反应，因此可以有较高的中子经济性。以重水慢化的反应堆，可以采用天然铀作为核燃料。由于重水吸收热中子的几率小，所以重水慢化的反应堆，中子除了维持链式裂变反应之外，还有较多的剩余中子可以用来使238U转变为239Pu，使得重水堆不但能用天然铀实现链式裂变反应，而且比轻水堆节约天然铀大约20％。重水反应堆对核燃料中有效放射性同位素浓度要求极低，可省去绝大部分提纯中使用的同位素分离工序，且其乏燃料不必进行后处理。

    重水反应堆产生的副产物(如钚、氚等)比轻水反应堆产生的更多，这些副产物可以用于制造如裂变式原子弹、聚变式原子弹、中子弹以及初级热核武器。

    此外，重水堆还具有小的过剩反应性、长瞬发种子寿期、大容积常温低压慢化剂和屏蔽水热阱、燃料组件简单短小、可不停堆换料和应用多种核燃料等主要优点，已成为很多国家发展核电重要的候选堆型。我国秦山三期核电厂采用了两台700MW级的CANDU-6型重水堆机组，已分别于2002年12月和2003年7月投入商业运行。

   重水堆的主要缺点

    由于重水慢化能力比轻水低，为了使裂变产生的快中子得到充分的慢化，堆内慢化剂的需要量就很大。再加上重水堆使用的是天然铀，重水堆的堆芯体积比压水堆要大十倍左右。

要从天然水中提取重水，由于天然水中重水含量太低，所以重水仍然是一种非常昂贵的材料。由于重水用量大，所以重水的费用约占重水堆基建投资的六分之一左右。

    重水堆由于使用天然铀作燃料，堆芯的后备反应性必然较少，因此需要经常将烧过了的燃料元件卸出堆外，补充新燃料，因此同样功率的重水堆核电厂产生的乏燃料数量要比压水堆多。而且倘若经常为此而停堆装卸核燃料，对于要求连续发电的核电厂而言是不能容忍的，这就要求重水堆核电厂能够进行不停堆换料。

    重水反应堆的一些反对者认为正因为这类反应堆可用低浓缩铀甚至未浓缩铀作为核燃料，所以建立基于这类反应堆的核电站会增加核扩散的风险：当某个国家掌握重水反应堆技术后，其只需天然铀就可以运行核电站，并通过核反应产生可用于制造核武器的危险放射性副产物，因此，这些国家便可绕过国际机构对浓缩铀的监管而发展核武器。

总之，由于轻水和重水的核特性相差很大，在慢化性能的两个主要指标上，它们的优劣正好相反，使它们成了天生的一对竞争伙伴。正是由于这个原因，使得这两种堆型的选择，成了不少国家的议会、政府和科技界人士长期争论不休的难题。

    坎杜堆简介

    坎杜反应堆(加拿大氘铀)用天然铀作燃料。氧化铀芯块被密封在高强度锆合金包壳内，锆合金吸收中子较少，这些成束的燃料管用格架组件支承。一座500兆瓦反应堆包含4860燃料束，每束为28个燃料元件，铀的总重量为116吨。每个元件长19．5英寸，直径为2英寸。

    为了避免反应堆内部的重水沸腾，核反应产生的热量由循环的加压重水载出。用锆铌压力管包围燃料元件，重水在燃料元件的周围流动，燃料组件用锆铌压力管包围。反应堆容器是一个卧式圆柱形水箱，称为排管容器，排管容器容纳的冷重水作为链式反应的慢化剂，处在氦气覆盖层之下具有一个大气压。加压重水流过燃料压力管周围的水平通道，热量的传输受压力管与水平通道之间充氦气的环腔的限制，压力管的两墙都装有端塞。

    在反应堆堆芯的一端装有一台换料机，将乏燃料组件推人另一端的换料机中，同时用新燃料代替乏燃料。这种操作可以在不停堆的情况下完成。

镉吸收棒插入贯穿排管容器的垂直通道，用来控制反应堆的功率水平，如果全部插入则使链式反应中止。另一个安全措施是，可以通过开启大口径的阀门将冷的重水排人反应堆下面的空水箱内，慢化剂的排出可以使核反应停止。

    因此，在这种设计中，慢化功能与排热功能是部分地分开的，慢化功能由热的和冷的重水提供，排热功能由加压重水系统提供。热交换器将冷的水温度限制在40℃。

    采用加压重水的传热系统与压水堆中所采用的传热系统很相似。和压水堆一样，传热系统包括水泵、稳压器和蒸汽发生器。为了产生蒸汽，热量通过蒸汽发生器传给充有轻水的二回路系统。蒸汽通向汽轮一发电机组，其能量在此转换成电能。

    像压水堆一样，整个一回路系统安装在一个混凝土厂房内，抵挡由冷却剂系统破裂引起的各种情况。在最新的坎杜核电站中，同一个厂址的各个安全壳厂房都通过一大口径管道与一个中心真空厂房相连。发生事故时，隔离阀门自动开启，让蒸汽排人真空厂房内，从而降低受影响的安全壳内部的压力。

    国际情况

    加拿大共建有25台核电机组，均为坎杜重水堆，目前在运19台，包括加拿大原子能公司运营的道格拉斯核电站在内的6台核电机组已经全部到期停运，被永久关闭。分别是，布鲁斯核电站1～8号机组，达林顿核电站1～4号机组，皮克林核电站1、4～8号机组，莱普罗角核电站

    印度目前在运21台核电机组，其中18台为重水堆核电机组，2台为沸水堆核电机组，1台为压水堆核电机组。在建核电机组6台，其中4台为重水堆核电机组，是全球在建重水堆核电机组最多的国家。分别是：凯加核电站1～4号机组，马德拉斯核电站1～2号机组，卡克卡帕拉核电站1～2号机组，纳罗拉核电站1～2号机组，拉贾斯坦邦核电站1～6号机组，塔拉坡核电站3～4号机组。

    韩国共有23台在运核电机组，其中4台为重水堆。均采用CANDU6机型，是月城核电站1～4号机组。另外该国正在建设5台压水堆机组。

    巴基斯坦拥有3台在运核电机组，其中一台是重水堆，是坎努普核电站。

    阿根廷共建有3台核电机组，目前均在运，全部为重水堆。另外，该国有一台实验小堆正在建造中，采用压水堆技术。该国有计划再建造一台重水堆机组和一台压水堆机组。是阿图查1～2号机组。

    中国在建和运行的仅有两台为重水堆机组，秦山核电站三期1～2号机组秦山核电站三期项目1～2号机组均采用CANDU6机型。建造于1998年，分别于2002年和2003年投入商业运行，均早于预期。商运以来，负荷因子均处于国际领先水平，表现好于国内同期建设的压水堆机组。

   秦山核电站

   当核电迎来新一轮发展的当下，出于对满足多种需求的需要，沸水堆和重水堆也迎来了新的发展。美国、日本都有发展先进沸水堆的计划，并开始实施，加拿大和中国合作的先进燃料坎杜重水堆(AFCR)也已经研发成功，印度也在继续发展自主化的重水堆技术。因此反应堆的现状形成了压水堆为主，多种堆型共同发展的局面。