核反应堆如何设计构造

重水反应堆 简称重水堆，是用重水即氧化氘作为慢化剂的核反应堆。重水是非常优异的慢化剂，它与石墨并列为最常用的慢化剂。

轻水反应堆 简称轻水堆，是用轻水即普通的水作为慢化剂和冷却剂的核反应堆。轻水就是一般的水，被广泛地用于反应堆的慢化剂和冷却剂。轻水反应堆是和平利用核能的一种方式。

浓缩铀和浓缩钚 为满足发展核武器和核动力的需求，一些国家建造了核浓缩厂，以天然铀矿等做原料，运用同位素分离法（扩散法、离心法等）使天然矿石中的同位素分离，提高可裂变元素的丰度，提炼浓缩铀或浓缩钚。浓度高到一定程度的高浓缩钚和高浓缩铀就可以用来制造核武器，因此核浓缩技术是国际社会严禁扩散的敏感技术。

1976年6月，法国的一家工厂从非洲中部的加蓬共和国进口了一批铀235（核燃料）矿石，经检测发现其含铀不足0.3%，远远低于自然矿石0.7%的含量。这一奇特现象立即引起了科学家的注意。经过三年多的研究，科学家终于得出了结论——奥克洛铀矿存在着一个十分古老并且保存完整，已运行几十万年之久的核反应堆。

这一消息一经公布，立刻轰动了整个科学界。人们不禁问道：20亿年前的反应堆是谁设计、建造的，又是用来做什么的？

显然，这个古老的核反应堆不可能是天然存在的。核反应堆是能维持可控自持链式核裂变反应的装置，这样一种装置需要高度精密的设备和先进的技术手段，在科学家的严格监督下，由专业的从业人员建造。人类自己也是在1942年由美国设计并建造出人类第一座核反应堆，才揭开了新能源的大幕。而且，目前的研究结果表明，这个核反应堆方圆有几公里。如此巨大的一个核反应堆，对周围环境的热干扰却局限在反应区周围40m之内。更让人吃惊的是，核反应所产生的废物，并没有扩散，而是局限在矿区周围。相比于奥克洛“核反应堆”，人类目前建造的最好、最大的核反应堆也显得黯然失色。

此外，据《自然》杂志报道，科学家发现奥克洛反应堆裂变的进行和停止是有周期性的，每30分钟的裂变反应之后就会有两个半小时的间歇，而对于这种运行方式科学家们正在花大量的时间和精力进行研究。

这一切是如此的不可思议，完全超出我们的认知。

距今20亿年前，在奥克洛建造核反应堆的是地球上的人类吗？可是据研究，早在20亿年以前，地球上还只有藻类这种单核细胞，离人类出现的时间相差了将近20亿年。

有人把这一难以解释的现象归到外星人身上，认为在20亿年前，外星人乘坐“原子动力宇宙飞船”来到地球上，并选择了奥克洛这个地方建造了核反应堆来获取能源。后来他们离开了地球，返回遥远的外星球，地球上便留下了这个神秘而古老的核反应堆。

但有些科学家做出了更大胆的推测，认为在现代人类文明之前，人类已在地球上创造了史前超文明。古生物学家认为，在地球诞生至今的45亿年 历史 中，地球上的生物经历过5次大灭绝，最后一次大灭绝发生在6500万年之前。因此，有人推断，20亿年前地球上曾经存在过高级文明生物，但后来遭到了大灭绝，原因可能是那些文明生物之间发生了一场战争，使得所有的史前文明同归于尽，只留下一些无法解释的遗迹。

最后你们说是真的吗？

美国加利福尼亚圣地亚哥通用原子公司的设计师们分析了三里岛核电站和切尔诺贝利核电站事故的各种原因，发现在核反应堆中用水作冷却剂是不安全的隐患。因为核燃料的保护包层是用金属壳，在高温时特别是在操作错误使金属壳发生熔化时，它会和水起化学反应而产生容易爆炸的氢气。前面说的两起事故，据调查，都和核燃料包层金属发生熔化后和冷却水起化学反应有直接关系。

于是，通用原子公司的设计师们提出了一种新型的核反应堆发电系统。它改用惰性气体氦作冷却剂，并用氦气代替水蒸汽作推动涡轮发电机的工作介质。这样，惰性气体不会和反应堆中的任何材料起化学作用，也就不可能产生容易爆炸的氢气之类的东西。

同时他们又改进了核燃料的包壳材料结构。这种结构的特点是铀燃料和控制中子速度的石墨之间的比例平衡，因此具有极大的负温度系数。负温度系数是什么意思呢？能起什么作用呢？负温度系数的作用是；一旦核反应堆发生错误操作，使反应堆的温度上升到明显超过正常运行的标准温度时，由于负温度系数的设计，反应堆会自动关闭。也就是说，负温度系数的设计起了“保险丝”的作用，保证了核反应堆的绝对安全。

新的核反应堆发电系统由两个互连的压力容器组成，它们都埋在地下的封闭式混凝土外壳内，其中大的容器是核反应堆，较小的容器内装有涡轮发电机、压缩机和热交换器。在两个容器之间有一个管道相连，在核反应堆容器内充满了氦气，核反应堆裂变产生的能量将其周围的氦气加热到850℃，然后通过管道到达第二个较小的容器的入口，驱动涡轮使发电机发电，涡轮机还同时带动压缩机，使氦气通过热交换器后再返回到核反应堆容器内。如此循环不已，连续发电。

这种氦冷反应堆因不用水作冷却剂，也不用水蒸汽推动涡轮机发电，不仅提高了安全性，也大大简化了发电系统的结构，它取消了常规压水或沸水反应堆发电系统的二级冷却回路，使整个系统及其他配置大大减少，最终使发电成本降低。

安全壳的主要功能是防止和控制放射性物质的泄漏。设计首先应考虑反应堆发生事故时，冷却剂逃逸所造成的内压和温度变化。此外，还应计及恒载、活荷载、雪荷载、施工荷载以及各种外界的不利因素如地震、龙卷风及其他飞射物的冲击、飞机失事冲撞或化工厂爆炸等偶然影响。

由于反应堆冷却剂带有极强的放射性，故对通过安全壳的泄漏率也须严格限制。一般规定24小时内在设计事故压力下的泄漏量不超过安全壳自由容积空气总重的0.1～0.5%。因此，对于安全壳上数以百计的各种贯穿件以及壳体结构的本身，必须有良好的密封措施。对钢筋混凝土或预应力混凝土单层安全壳，均需采用整体性完好的衬里板以保证安全壳的气密性。大多数衬里采用薄的碳钢板。衬里板应可靠地锚固在混凝土壳体壁上，内表面应涂有防腐层。

为了满足放射性屏蔽的要求,安全壳的筒壁较厚,整个反应堆厂房作用在地基上的压力可达0.5兆帕以上,因而必须选择良好的地基。

根据安全要求，在安全壳设计中必须注意壳体结构的完整性和可靠性。除了采用严格可靠的计算手段外，对安全壳的材料、制作和检验等方面也都要有严格的质量控制。

对于典型的压水堆、沸水堆电厂，核燃料的换料必须在反应堆停堆的情况下进行，为保证经济性，其换料周期一方面取决于核燃料管理，一方面还取决于电力市场的周期（停堆换料集中在电力需求较低的春秋季节，即18个月或12个月）。

核燃料管理（包括可燃毒物管理）的目的包括以下几个方面：在燃料组成和反应性的长期变化中保持临界；调整功率分布，使功率输出达到最大；使燃料产生的总能量达到最大；使燃料得到均匀辐照；使中子的生产性利用达到最大。

需要进行核燃料管理的主要原因是：反应堆内中子通量不是均衡分布的，燃料组件燃烧不均衡，需要通过不同的燃耗深度组件分区进行对应的调整，展平堆芯功率，减少反应堆功率的不均衡；核燃料的价格昂贵，必须尽可能充分利用，尤其利用中子转换利用不能燃烧的U238，提高经济性；同时还需要尽可能保证反应堆的安全和运行的平稳，合理控制反应性，避免应中毒导致的停堆和功率振荡，减少压力容器的中子辐照损伤。

为达到核燃料管理的目标，需要在合理的周期内，定期卸出部分乏燃料，重新布置堆内不同燃耗的未燃尽燃料位置，合理的使用毒物，使燃料组件尽可能达到最大燃耗，同时减少堆内的功率不平衡和对容器的中子辐照通量。

为此需要在反应堆设计阶段就制定燃料循环和燃料管理方案：然后根据燃料循环方案（核燃料生产、后处理方式，是否使用MOX燃料等）和燃料管理方案（换料周期、换料方式等）的经济性和反应堆设计制定、优化燃料循环长度、循环功率水平、燃料组件的富集度、换料批次、换料周期、换料装载方案，控制毒物的运用方案和可燃毒物的使用方式，并保证燃料组件的基础参数和性能。优化和选择是在很多种燃料方案中利用物理/热工水力学模型和经济模型比较，选择经济性最佳、技术上最可行的一组（包括初料循环、过渡循环、平衡循环、扰动循环）。

在压水堆中，通常采用三批循环，比一批循环的燃耗深度要高50%（也就是是反应堆在循环初的剩余反应性小50%），而燃料组件的富集度和初始剩余反应性是相关的，这实际上降低了燃料富集度的需求。再比如加拿大的CANDU，通过连续在线换料，降低燃料富集度需求(其剩余反应性水平很低)，使用天然铀燃料，省去铀浓缩环节。

再比如，在压水堆中，上世纪80年代通常使用插花式换料，一方面减少移动燃料组件数目，一方面获得比较好的功率展平；而目前多采用低泄漏换料，提高中子经济性，减少压力容器快中子辐照损伤和热冲击，但是为抑制功率峰，付出了可燃毒物量增加和寿期末毒物残留的代价（残硼反应性惩罚）。

核反应堆和燃料组件的设计技术条件，尤其是热工条件，决定了核燃料组件在堆内技术上所能达到的最大/平均功率、最大等效满功率天数、最大卸料燃耗，继而深刻影响反应堆燃料管理，尤其是同类反应堆。比如压水堆早期标准燃料循环为12个月，随着可燃毒物运用的技术成熟和更可靠的燃料包壳材料，目前普遍提高到18个月（通常是17和19个月交替），AP1000是18～24个月，燃料的富集度从上世纪80年代压水堆的3.3%（33GWd/t）提高到目前的4.5～5%（42～55GWd/t），包壳材料从锆4合金发展为M5锆铌合金，并使用硼玻璃、含铒可燃毒物。