第50章 压水堆

在核能发电中有一种已被广泛使用的动力反应堆——压水堆。这种反应堆也是我国核电发展规划中已经选定的主要堆型。我国己建成的秦山核电站，还有刚建成的大亚湾核电站以及正在设计中的其他核电站，都是用这种反应堆来发电的。压水堆的发展要追溯到第二次世界大战期间。当时，美国海军就曾想利用反应堆作为动力，来建造核潜艇。

战争结束后不久，美国海军部派出一个技术小组，去橡树岭实验室学习反应堆技术，带队的是一名上校，名叫里科维。回来后，他被任命为海军舰船局核动力处的领导人，兼原子能委员会下属海军反应堆处的处长。他以非凡的勇气和大胆的部署，进行了卓有成效的组织工作。1954年底建成了美国第一艘核潜艇“舡鱼”号，从而揭开了海军发展史中极为重要的一页。

在“舡鱼”号核潜艇中，利用压水堆作为动力源，它既安全，又可靠。由于核动力工作时不需要氧气，因此潜艇可以长时间潜航，穿过北极辽阔的冰层，进行环球航行。

1953年，美国决定建造大型核动力装置，原子能委员会把这个任务交给了里科维少将，并由西屋电气公司负责反应堆装置的建造。

1954年9月6日，压水堆核电站在宾夕法尼亚州的希平港正式破土。经过大量的考核，1957年12月2日，希平港反应堆首次达到临界。经过16天，能量源源不断地送出。

希平港核电站的主要用途，是研究压水堆的工艺。在这第一代装置中，实际上已体现出压水堆的所有基本特点。它用加压的普通水作为冷却剂、慢化剂和反射层。整个堆芯放置在一个钢制的厚壁容器内，它能承受很高的压力，足以保证冷却剂在堆内不发生沸腾现象。

通过改进燃料组件，压水堆逐步实现了更新换代。压水堆燃料组件的改进过程是这样的：从以不锈钢为包壳的核燃料棒，发展成高功率的以锆合金为包壳的燃料棒束组件；取消了燃料盒而改用定位架，以增强冷却剂的导热效果；用控制棒束代替十字形断面的控制棒，并采用液态中子吸收剂——含硼水。随着反应堆功率的增大，还减小了燃料棒的直径，改进了燃料元件的制造工艺。这些改进措施，使压水堆堆芯的平均功率密度从58千瓦／升提高到100千瓦／升。这些数字说明，在压水堆中每单位体积的堆芯所放出的核能，要比石墨气冷堆高出40倍左右。由此可以想到，压水堆是一种多么紧凑的反应堆装置。也正是由于这个原因，使它能用在空间极为紧凑的核潜艇内。目前典型的压水堆核燃料，是由低浓度的二氧化铀芯块制成的。圆柱形芯块的尺寸，相当于一节手指的大小。它们挨个放在壁厚约为0.6毫米的锆合金管子内，然后密封起来，组成一根长为3～4米的燃料棒。锆合金管用来防止燃料与冷却剂发生相互作用，同时把产生的放射性裂变产物保存在锆管内部。锆本身是一种极为优秀的堆芯结构材料，因为它几乎不吸收中子。用定位架将约200根燃料棒，按正方形的栅距排列起来，组装成15×15或17×17的棒束，称为燃料组件。将上百个燃料组件安装在一起，组成一个近似圆柱形的堆芯。把它架在钢制的厚壁容器的中央，就是一个压水堆。冷却剂自下而上流过堆芯，带出裂变的能量。

由银—铟—镉制成的控制棒，通过容器的顶盖插入燃料组件之中。改变控制棒插入堆芯的深度，就可调节中子的数量，从而控制反应堆的功率。

在燃料组件不断改进的同时，压水堆核电站的系统和设备也逐渐完善，并进入了标准化的阶段。目前最大的压水堆核电站，其单堆发电能力已达130万千瓦。它以反应堆为中心，有四个环路，每个环路有一台蒸汽发生器和一台立式的主循环泵。高压下的水由主泵驱动，经过堆芯吸取热量，然后沿着环路进入蒸汽发生器，在那里放出热量，以后又流回主泵的入口。冷却剂不断地循环流动，完成输送热量的任务。在蒸汽发生器内，二回路的水接受热量后变成蒸汽，进入汽轮发电机组作功发电。

压水堆中的冷却剂、慢化剂和反射层都利用普通水。这不仅是因为普通水价廉易得，还因为它在常规的火电技术中已利用了200多年，人们对它已积累了丰富的操作经验，研制了能在高温高压汽水条件下使用的各种材料和设备。压水堆实际上最大程度地沿用了常规的发电技术，因此既经济、又可靠。目前已建成的核电站，一半以上都是压水堆核电站。将来，这个比例很可能会继续增长。

从长期运行的角度来看，压水堆核电站也有一个薄弱环节，那就是蒸汽发生器。它的传热管壁厚不到1.5毫米，却担负着将放射性的一回路冷却剂，与非放射性的二回路汽水介质相隔绝的重任。在长年累月的热交换过程中，这些管子是否能够不受腐蚀而保持严密，仍然是一个令人担心的问题。已有一些蒸汽发生器发生了泄漏，电站不得不停下来对它进行修理和更换。很多材料工程师和水化学专家，正在从管子材料和水的品质两个方面进行努力，希望尽量延长传热管的使用寿命。

有些核动力专家提出一种更为痛快的办法，那就是干脆取消蒸汽发生器，把反应堆的运行压力降低一些，让流过堆芯的水沸腾起来，直接产生蒸汽，这种带有一些放射性的蒸汽，同样可以送往汽轮发电机组作功发电。这就是下面要介绍的另一种主要核电站——沸水堆核电站的特点。