简要科普一下不同类型的核反应堆 一
本文核心词：核能,反应堆,核电
众所周知，核反应堆是核电站、核工厂和核动力载具（核动力舰艇，核动力飞机，核动力卫星、核动力导弹和没有成功出现的核动力坦克）的心脏，作为大国重器和国家核心科技，历来被核大国所重视。那么，如此神秘又非常重要的核反应堆，到底是怎么运转的呢？
让我们回顾一下高中物理书提到的核反应吧。众所周知，在1938年，德国物理学家哈恩发现了铀235能够在中子作用下发生分裂并释放巨大的能量，并且铀235在裂变后，不仅能够释放巨大的能量，还能释放多个中子，继而引发下一批铀235发生裂变，这种反应就是核武器和反应堆最为依赖的“链式反应”。核反应的能量来自于核分裂时发生的质量亏损，并转化为释放出的核反应产物的动能和伽马射线的辐射能。而核反应产物的动能及辐射能在被各种工质（如水、空气）吸收后，就会转化为人类可以利用的热能，从而驱动汽轮机发电。目前人类用于商业发电和舰艇推进的反应堆，都属于这种核-热-蒸汽类型。
在反应原理上，核反应堆可以分为两大类：慢中子（也叫热中子）反应堆和快中子反应堆。
在讨论这两个反应堆的根本差异之前，首先要提两个关于核燃料的基础概念：中子裂变截面和裂变概率。
慢中子和快中子对于不同核材料的中子裂变截面和裂变概率
这个图展示了从钍232到锔244分别在慢中子照射下和快中子照射下的裂变截面和裂变概率。简单来说，裂变截面越大，原子越容易捕获中子；裂变概率越大，原子吸收中子后发生核裂变的概率就越大。快中子因为速度快，能量高，因此很容易和原子“擦肩而过”，因此快中子的裂变截面总是不高；但是正因为他速度快，因此他能够使很多慢中子无法“激活”的原子核发生核反应。因此，快中子“不挑食”和慢中子“效率高”的差别，使得核反应堆出现了利用快中子的“快堆”和慢中子的“热堆”的两大派系。
首先，我们来认识一下目前世界上最广泛采用的“热堆”，绝大多数商用、军用和实验室用反应堆都是“热堆”。“热堆”一般采用三种核燃料：铀235，铀233和钚239。这三种材料不仅是由于它们热中子裂变截面大，裂变概率也大，更重要的是这三种同位素在目前的技术下是比较容易分离和浓缩，浓缩得到的产品在一定条件下即可达到临界状态，注入中子即可引发连续不断的链式反应。在三种主要核燃料中，只有铀235是天然存在的，其他两种都属于人工合成核素，需要特殊的反应堆制备，故目前所有的商用反应堆都采用天然铀（铀235质量分数0.7%）制备浓缩铀（铀235含量提升到3%~20%）的作为核燃料。
有了浓缩铀，下一步就是要有效的控制它的链式反应，因为不可控的链式反应就成了原子弹爆炸，会造成极大的危害。因此在一切核反应堆中，最核心的设备莫过于它的“控制棒”。在目前实践中，我们利用镉元素有着较高吸收中子的特性，使用镉合金制备控制棒，在核反应堆需要“减速”或“熄火”（专业术语为“停堆”）时，就把大量的镉棒插入反应堆堆芯，将链式反应产生的中子大量吸收，从而阻断链式反应进程。当然，仅有控制棒还不足以“扑灭”濒临失控的反应堆，因此很多核电厂拥有最后一道保险：硼酸注入系统，同样是利用硼酸能够大量吸附中子的能力，但由于硼酸喷注后会导致反应堆环境改变，难以清理，故硼酸只作为最后一道防线保留。
能够控制核反应后，我们下一步是把核反应生成的高速中子“减速”为“慢中子”，从而维持核反应的稳定运行。这就带来了下一个核反应堆（热堆）的要件“中子慢化剂”。同时，中子慢化剂也是另一个过程不可或缺的——作为引出核能的工质。
因此，合适的中子慢化剂就是一个反应堆安全、稳定和高效的重要组成部分。而且，由于反应堆比较大，中子慢化剂必须要廉价易得，才能够填满巨大的反应堆并带出能量。在目前的实践中，热堆的中子慢化剂主要有三种：轻水、重水和石墨（不过通常石墨会和轻水连用）。
轻水堆是目前建造最多也是商用最稳定的一种。由于使用廉价易得的蒸馏水作为中子慢化剂，因此他建设成本要比重水堆和石墨堆低很多。而且，由于轻水大量吸附中子，使得轻水堆不易产生可用于核武器的钚239，因此轻水堆也有利于防止核扩散，故大量的轻水堆被作为商业堆建设在世界各地。不过轻水堆也有代价，由于轻水吸收中子，导致它一般需要不低于3%浓度的浓缩铀才能运转，并且当燃料中的铀235比重回到天然铀的0.7%时，链式反应就会终止，这样的燃料棒就必须更换，更换后的燃料棒被称之为乏燃料。
重水堆和轻水堆最大的区别在于它使用重水作为中子慢化剂。和轻水不同，重水的分子为2氘（氢同位素，由1中子和1质子构成）1氧，使得它分子内的中子比例多于轻水，这样一来重水就不容易吸附中子，使得它可以提高中子利用率，从另一方面表现就是它能够利用浓缩度更低的铀材料（理论上如加拿大的CANDU甚至可以直接填充天然铀和其他轻水堆产生的乏燃料运行），而且由于它产生了过量的慢中子，这些慢中子会被燃料棒中的铀238吸收，产生一系列铀同位素和超铀元素，而这些超铀元素中最重要就是钚239，可以在乏燃料后处理中提纯，并作为核弹核心使用。因此，重水堆有比较明显的核扩散风险，因此除了五大常任理事国（同时也是不扩散核武器条约1965年生效前确认的仅有的5个合法持有核武器国家）外的重水堆建设经常会引发核危机（如朝鲜和伊朗核问题都涉及到了重水堆）。
第三种反应堆石墨堆，大家可能平时听到的很少。但是提到切尔诺贝利事件，就基本无人不知了。切尔诺贝利采用的反应堆就是石墨沸水堆，采用石墨作为主中子慢化剂，加热轻水作为蒸汽工质。石墨堆兼顾了重水堆可产生超铀元素、可利用低品位铀燃料和轻水堆使用廉价的轻水的三种优势，在苏联被认为是最重要的商用反应堆，可以利用天然铀加工的燃料棒直接发电，发电后的乏燃料还可以提炼核武器的钚239，可谓一举两得。但是，由于切尔诺贝利事件暴露出石墨堆存在空泡效应为正的巨大隐患（因为轻水堆和重水堆通常都会因为温度升高而减缓核反应，而石墨堆相反，温度越高，反应速度反而加快，因此在切尔诺贝利出现反应失控后反应速度越来越快导致爆炸），故目前石墨堆已经没多少人新建了，俄罗斯境内和切尔诺贝利相同的RBMK反应堆也计划在2020年代逐步退役。
在利用中子慢化剂得到了慢中子并成功维持核反应后，下一步是把反应堆中的热能提取出来驱动汽轮机。根据取出热能的方式不同，形成了两大类反应堆：压水堆和沸水堆。
先说沸水堆。沸水堆一般都是轻水堆，它的原理就像是把火电厂的燃煤锅炉的燃烧室换成了反应堆的堆芯。轻水在反应堆内被烧成高温高压蒸汽，然后直接导入汽轮机中发电。由于它使用反应堆产生的高温蒸汽直接发电，故整个系统体积比较小，结构较为简单，成本也比较低。但是，由于反应堆产生的水蒸气不可避免带着部分核物质，因此整个蒸汽管道和汽轮机都不可避免会被核物质污染，导致日后更新成本增加。更严重的是，由于沸水堆只有1个回路，因此在出现事故时，核物质发生泄漏的危险会非常高，目前两大七级核事故——切尔诺贝利和福岛核事故都是沸水堆外壳破损后发生了大规模核泄漏，因此沸水堆的订单也是越来越少了。
第二个就是目前装备量最大，安全性相对较好的压水堆。压水堆的“压”来自于他封闭的第一回路。这个直接被反应堆加热的回路是高度密封的，因此在这个情况下水不会在正常的100度沸点气化，而是会升温到290~350度左右，然后被泵抽到二回路加热另一个回路的水。这样一来，二回路等于是一个“水浴加热锅炉”，以一回路高温水作为热源加热这个“锅炉”的水，形成高温高压水蒸气从而推动汽轮机。因此，一回路的水不会渗透到二回路，从而不会导致汽轮机被核污染。同时，由于一回路密封，不会产生中子慢化剂流失，故重水堆也采用压水堆结构以便维持重水不至于流失。不过，压水堆除了结构较为复杂外，他存在的最大问题在于，由于一回路采用高压热水作为工质，因此二回路的热源温度就被一回路的水温决定了，这导致二回路无法像直接以化石燃料加热的传统锅炉一样达到更高的温度（目前超超临界锅炉蒸汽温度可达600度以上），进而无法产生更强大的蒸汽。所以，压水堆的一回路温度使得汽轮机的功率受到限制。
总结一下：核反应堆根据中子类型可分为“快中子堆”、“慢中子堆”，慢中子堆根据中子慢化剂不同分为“轻水堆”、“重水堆”、“石墨堆”；根据结构不同分为“压水堆”、“沸水堆”。这样通过组合，就得到了若干种反应堆整体构型：“压水轻水堆”、“压水重水堆”、“石墨沸水堆”等等。以后大家看新闻提到这几个称呼时，就该明白这些堆采用的是何种中子慢化剂和结构了。
有关于快堆和其他非常规反应堆，以后有空慢慢开坑聊吧。
祝大家学习愉快。