作又在堆外工作的一种反应堆介质，这就要求冷却剂必需在高温和高中子通量场中工作是稳定的。台湾小说网
www.192.tw此外，大多数适合的流体以及它们含有的杂质在中子辐照下将具有放射性，因此冷却剂要用耐辐照的材料包容起来，用具有良好射线阻挡能力的材料进行屏蔽。
理想的冷却剂应具有优良慢化剂核特性，有较大的传热系数和热容量、抗氧化以及不会产生很高的放射性。液态钠主要用于快中子堆和钠钾合金主要用于空间动力堆具有大的热容量和良好的传热性能。轻水在价格、处理、抗氧化和活化方面都有优点，但是它的热特性不好。重水是好的冷却剂和慢化剂，但价格昂贵。气体冷却剂如二氧化碳、氦具有许多优点，但要求比液体冷却剂更高的循环泵功率，系统密封性要求也较高。有机冷却剂较突出的优点是在堆内的激活活性较低，这是因为全部有机冷却剂的中子俘获截面较低，主要缺点是辐照分解率较大。应用最普遍的压水堆核电站用轻水作冷却剂兼慢化剂。
核反应堆有许多用途，当前最重要的用途是产生热能，用以代替其他燃料加热水，产生蒸汽发电，当前全部商业核反应堆都是基于核裂变的，其裂变产物可以生产核武器中使用的钚。法国是应用核反应堆发电较为广泛的国家之一。随着石油和煤炭资源日渐稀缺，核能发电开始受到重视。但是同时，核能发电产生的放射性废物污染问题成为核能发展的障碍。
目前，世界上应用比较普遍或具有良好发展前景的，主要有压水堆、沸水堆、重水堆、高温气冷堆和快中子堆五种堆型。
压水堆
压水堆pwr最初是美国为核潜艇设计的一种热中子堆堆型。四十多年来，这种堆型得到了很大的发展，经过一系列重大的改进，已经成为技术上最成熟的一种堆型。
压水堆电站采用以稍加浓铀作核燃料，燃料芯块中的铀235的富集度约3。核燃料是高温烧结的圆柱型二氧化铀陶瓷燃块。
柱状燃料芯块被封装在细长的锆合金包壳管中构成燃料元件，这些燃料元件以矩型点阵排列组成燃料组件，组件横断面的边长为20厘米，组件的长度为3米。上百个这样的组件拼装成压水堆的堆芯。堆芯客观上为圆柱型。一般堆芯的直径有达几米。ap1000的压力容器的直径有4.04米。
压水堆的冷却剂是轻水。轻水的价格便宜，而且它具有良好的热传输性能。所以在压水堆中，轻水不仅作为中子慢化剂，同时也用作冷却剂。
但轻水有一个明显的缺点，就是沸点低。要使热力系统有较高的热能转换效率，根据热力学原理，核反应堆应有高的堆芯出口温度参数；要获得高的温度参数，就必须增加冷却剂的压力，使其处于液相状态。所以压水堆是一种使冷却剂处于高压状态的轻水堆。压水堆冷却剂入口水温是300摄氏度左右，出口水温330摄氏度左右，堆内压力15.5a。
高温水从压力容器上部离开反应堆堆芯以后，进入蒸汽发生器，高温水，也就是被加热的冷却剂从蒸汽发生器的管内流动，经过冷却剂回路循环泵又回到反应堆的堆芯。
蒸汽发生器内有很多的传热管，传热管外为二回路的水，冷却剂回路水流过蒸汽发生器的传热管时，将携带的热量传输给二回路内流动的水，从而使二回路的水变成280摄氏度左右的、67a的高温蒸汽。高温蒸汽流过汽轮机，使其转动去带动发电机组发电。余下的大部分不能利用的能量交给冷凝器，能过三回路排放到最终的热阱江、河、湖、海或大气。
压水堆核电站的特点是结构紧凑，堆芯的功率密度大，在经济上基建费用低，建设周期短。栗子网
www.lizi.tw但也有缺点，那就是要采用高压的压力容器，还有就是必须采用有一定富集度的核燃料。
沸水堆
沸水堆与压水堆同属于轻水堆家族，都使用轻水作慢化剂和冷却剂，低富集度铀作燃料，燃料的形态为二氧化铀陶瓷芯块，外包锆合金包壳。
典型的沸水堆堆芯内共有约800个燃料组件，每个组件8x8正方排列、其中含有62根燃料元件和2根空的中央棒水棒。沸水堆燃料棒束外有组件盒以隔离流道，每一个燃料组件装在一个元件盒内。具有十字形横断面的控制棒安排在每一组四个组件盒的中间。
冷却剂自下向上流经堆芯后，大约有14的重量被变成蒸汽。为了得到干燥的蒸汽，堆芯的上方设置了汽水分离器和干燥器。由于堆芯的上方被这些设施占据，沸水堆的控制堆只好从堆芯下方插入。
沸水堆核电站有几个特点，第一点是直接循环，就是将核反应堆产生的蒸汽直接引入蒸汽轮机，推动汽轮机发电机组发电。这是沸水堆核电站与压水堆核电站最大的区别。第二个特点是工作压力可以降低，沸水堆堆芯的压力只需加压到约70个大气压，即堆芯的工作压力由压水堆的15a左右下降到沸水堆的7a左右，也已经说降到了压水堆工作压力的一半，这使系统得到极大的简化，能显著地降低投资。
与压水堆核电站相比，沸水堆核电站的主要缺点是：一是辐射防护和废物处理较复杂，由于沸水堆只有一个回路，反应堆内流出的有一定放射性的冷却剂被直接引入蒸汽轮机，导致放射性物质直接进入蒸汽轮机等设备，使得辐射防护和废物处理变得较复杂。使得汽轮机检修时困难较大；检修时需要停堆的时间也较长，从而影响核电站的设备利用率。二是功率密度比压水堆小。水沸腾后密度降低，慢化能力减弱，因此沸水堆需要的核燃料比相同功率的压水堆多，堆芯及压力的壳体积都比相同功率的压水堆大，导致功率密度比压水堆小。
重水堆
重水堆是指用重水d2o作慢化剂的反应堆。按结构分，重水堆可以分为压力管式和压力壳式。采用压力管式时，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。压力壳式重水堆只有立式，冷却剂与慢化剂相同，与压水堆或沸水堆类似。
重水堆燃料元件的芯块也是烧结的二氧化铀的短圆柱形陶瓷块，这种芯块也是放在密封的外径约为十几毫米、长约500毫米的锆合金包壳管内，构成棒状元件。由19到43根数目不等的燃料元件棒组成长约500毫米、外径为100毫米左右的燃料棒束组件。
反应堆的堆芯是由几百根装有燃料棒束组件的压力管排列而成。重水堆压力管水平放置，管内有12束燃料组件，构成水平方向尺度达6米的活性区。作为冷却剂的重水在压力管内流动以冷却燃料元件。
压力管是承受高压重水冲刷的重要部件，是重水堆设计制造的关键设备。作为慢化剂的重水装在庞大的反应堆容器称为排管容器内。保持慢化剂处于要求的低温低压状态。同心的压力管和排管贯穿于充满重水慢化剂的反应堆排管容器中，排管容器则不承受多大的压力。总长可达8、9米的排管两端有法兰固定，与排管容器的壳体联成一体。
这种压力管卧式重水堆可以在反应堆运行时，由装卸料机连接压力管的两端密封接头进行不停堆换料。每次换料时，将8束新组件从压力管的－端推进去，同时从同一压力管的另一端将辐照过的燃料组件推出。栗子网
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重水堆核电站与轻水堆核电站相比较，有以下几点主要差别，这些差别是由重水的核特性及重水堆的特殊结构所决定的：1中子经济性好可用天然铀、节约天然铀；2可以不停堆更换核燃料；3重水堆的功率密度低；4重水费用占基建投资比重大。
高温气冷堆
除了用水冷却外，还有用气体作为冷却剂的气冷堆。气体的主要优点是不会发生相变。但是气体的密度低，导热能力差，循环时消耗的功率大。为了提高气体的密度及导热能力，也需要加压。
气冷堆在它的发展中，经历了三个阶段，形成了三代气冷堆:天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆、高温气冷堆。
高温气冷堆是一种用高富集度铀的包敷颗粒作核燃料、石墨作中子慢化剂、高温氦气作为冷却剂的先进热中子转化堆。
高温气冷堆的冷却剂是氦气。球形元件重叠时，彼此间有空隙可供高温氦气流过。在氦循环风机的驱动下，氦气不断通过堆芯将裂变热带出，进行闭式循环。氦气的压力一般为4a。
1985年德国建成的30万千瓦电功率的高温钍堆，是一种用蒸汽间接循环的高温汽冷堆，它的堆芯高6米，直径5.6米，功率密度6k的球，其中35.8万个是装了燃料的球，31.7万个是慢化和控制用的石墨球和可燃毒物球。堆芯放在预应力混凝土压力壳内，预应力混凝土压力壳壳外直径24.8米，高25.5米。反应堆运行时，新的燃料球由反应堆的顶部加料机构加入，烧过的燃料球依靠它的自重从反应堆漏斗式底部卸出，经过燃耗分析器检定，将未烧透的燃料球送回堆芯继续使用，这样可以做到连续不停堆装卸料。
目前的高温气冷堆分为三种：1用蒸汽进行间接循环的高温气冷堆；2直接循环的高温气冷堆，这种堆的氦气出口温度达850c；3特高温气冷堆，这种堆的氦气出口温度达950c以上。
高温气冷堆由于采用包敷颗粒核燃料，取消了燃料元件的金属包壳，又用传热性能较好、化学性能稳定、中子吸收截面小的氦气作冷却剂，因此它具有下列与众不同的特点；1核电站选址灵活且热效率高；2高转化比；3安全性高；4对环境污染小；5有综合利用的广阔前景；6可实现不停堆换料。
虽然高温气冷堆有以上这些突出的优点，但是由于技术上还没有达到成熟的阶段，仍有很多技术问题影响着它的迅速发展。这些问题归纳为：1燃料元件复杂的制备工艺；2高温高压氦气回路设备的工艺技术问题；3燃料后处理及再加工问题。
快中子堆
快中子反应堆，简称快堆，是堆芯中核燃料裂变反应主要由平均能量为0.1v以上的快中子引起的反应堆。
快中子堆一般采用氧化铀和氧化钚混合燃料或采用碳化铀碳化钚混合物，将二氧化铀与二氧化钚混合燃料加工成圆柱状芯块，装入到直径约为6毫米的不锈钢包壳内，构成燃料元件细棒。燃料组件是由多达几十到几百根燃料元件细棒组合排列成六角形的燃料盒。
快堆堆芯与一般的热中子堆堆芯不同，它分为燃料区和增殖再生区两部分。燃料区由几百个六角形燃料组件盒组成。每个燃料盒的中部是混合物核燃料芯块制成的燃料棒，两端是由非裂变物质天然或贫化二氧化铀束棒组成的增殖再生区。核燃料区的四周是由二氧化铀棒束组成的增殖再生区。
反应堆的链式反应由插入核燃料区的控制棒进行控制。由于堆内要求的中子能量较高，所以快堆中无需特别添加慢化中子的材料，即快堆中无慢化剂。
目前快堆中的冷却剂主要有两种：液态金属钠或氦气。根据冷却剂的种类，可将快堆分为钠冷快堆和气冷快堆。目前前者仅处于探索阶段。钠冷快堆有回路式和池式两种类型。
快中子核电站的主要特点归纳如下：
1可充分利用核燃料；
2可实现核燃料的增殖；
3低压堆芯下的高热效率。
可以说，快堆对即将到来的核能大发展是最为重要的堆型。
第二十五章空间核动力
对于大多数人来说，空间核动力或说空间核电源、空间反应堆这样的名词是陌生的，也很少有关注。毕竟它们与我们的生活有点距离。就是连林向阳自己也是许多年没有关注其发展了，其实他与空间核动力是很有点感情的。
在上个世纪的九十年代，林向阳翻译了不少有关空间堆的资料，并又写了一篇空间核动力安全和发展趋势的论文用于我的工程师报告，那是一项做的有成就感的事之一，之后还参加了四川核学会青年科学工作者的学术交流。想一想20多年过去了，现在再提起空间反应堆，有一种岁月飞逝之感。那些装有核电源的去太空的飞船们不知飞的可好......
重温的空间堆发展历史，不能不感觉到人们探索的不易和不可想象、不可思议。让我们回头再去看看。
空间核动力包括空间核电源和核推进，用来给航天器提供电能和推进动力。空间核动力是军民两用技术，可以满足通信卫星、军用卫星、空间站、空间运输、空间武器作战平台、深空探测、外星基地等对电能和推进的需求。
空间核电源分为空间核反应堆电源和放射性同位素电源。空间核反应堆电源通过静态转换或动态转换的方式把核反应堆的裂变热能转变为电能。静态转换直接把裂变热能转变为电能，通常采用热电偶转换和热离子转换方式。动态转换先把裂变热能转变为机械能，再把机械能转变为电能，一般采用布雷顿循环、朗肯循环和斯特林循环中的一种。放射性同位素电源分为放射性同位素电池和放射性同位素动态发电系统两种，前者采用的是热电直接转换的热电偶转换方式，后者则采用动态转换方式。一般说来，静态转换技术难度较小，但转换效率较低；动态转换技术难度大，转换效率较高。
核推进分为核热推进和核电推进。核热推进与核电推进的共同点都是以核能例如核反应堆的裂变热能作为推进的能源。区别之处在于，核热推进利用核反应堆核裂变产生的热量直接加热推进工质；核电推进则是先把裂变热能转变为电能之后，再利用电能电离和加速推进工质。两者相比，核热推进的推力可以很大，比冲却不如核电推进高；核电推进的比冲很高，但推力却比较小。
双模式电源推进空间核动力系统是把空间核反应堆电源和核推进相结合，可以构成既能给航天器提供电能，又能提供推进动力的功能强大的空间核动力系统，如空间核反应堆电源核热推进系统，以及空间核反应堆电源核电推进系统。
空间核电源的特点
目前，航天器使用的空间电源主要有3类：化学电池、太阳能电池阵蓄电池组联合电源和核电源。化学电池结构简单，工作可靠，内阻小，工作电压平稳，适合大电流放电，但工作寿命短，低温性能差，功率也比较小，最多到几百瓦。太阳能电池阵蓄电池组联合电源技术成熟，性能可靠，工作寿命长，供电能力强，可实现数十千瓦的电功率，是现在应用最为广泛的空间电源。
但是，在大功率条件下，采用太阳能电池阵会带来一些难题，如依赖光照条件，对发射窗口、轨道参数、飞行姿态和对日定向等均有严格限制，对航天器总体设计提出了比较苛刻的要求；大面积的太阳能电池阵对机动飞行和低轨道飞行带来较大阻力，需要携带大量燃料进行轨道维持，同时也存在安装和展开的技术困难；展开面积大，结构复杂，难以实现高精度和高稳定度的姿态控制；受空间碎片、陨石和外部打击面大，也容易受辐射等因素的影响，从而造成破损、性能下降或失效，生存能力差；在阴影、深空等环境下不能工作。
放射性同位素电源主要指热电直接转换的放射性同位素电池功率小，寿命长，工作可靠，已广泛用于对功率需求不大的各种空间任务中。空间核反应堆电源技术难度高，研制周期长，要考虑辐射防护和核安全等特殊问题。但空间核反应堆电源具有重要优势：易于实现大功率供电，能为航天器提供数kw的电能；能量密度大，在高功率下，质量比功率优于太阳能电池阵蓄电池组联合电源系统；重量轻、体积小、比面积小、阻力小、受打击面小，隐蔽性好；功率调节范围大，具有快速提升功率的能力，机动性高；不依赖太阳辐射能，不需要对日定向，可全天时、全天候连续工作；环境适应性好，具有较强的抗空间碎片撞击能力，可在尘埃、高温、辐射等恶劣条件下工作。空间核反应堆电源是军事航天的理想电源，是深空探测不可替代的空间电源。
核推进的特点
核热推进系统即核火箭发动机与液体火箭发动机很相似，主要差别在于核热推进系统利用核反应堆替代了液体火箭的燃料燃烧室，用单组分的工作介质氢替代了液体火箭发动机的双元液体推进剂液体燃料和液态氧。
从原理上分析，核热推进系统与化学火箭发动机相比具有3个优点。第一，核裂变或核聚变过程中释放出来的巨大能量是化学燃烧或爆炸产生的能量所不能比拟的，两者之差100万倍。第二，核裂变或核聚变比化学反应能获得更高的温度。高温或超高温是使工作介质达到高流速、火箭达到高比冲的决定性因素之一。第三，核热推进系统只需要一种成分的工作介质。
比冲是火箭发动机最重要的性能参数之一，也叫比推力，单位是“秒s”。核热推进系统的根本优势就在于可以利用分子量最小的单组分工作介质得到最大的比冲。如果以“氢”作为工作介质，在其他因素相同的条件下，核热推进系统的比冲要比化学火箭的高出2倍多。由于比冲高，完成相同的空间飞行任务，核热推进系统所需推进剂的质量仅为化学火箭发动机推进剂质量的13。而所需的任务成本不到化学火箭发动机的44。
核电推进系统核电火箭发动机的技术基础是空间核反应堆电源和电火箭技术。核电推进系统的特点是具有极高的比冲例如8000s和较大的推力0.66n。把核电推进系统用于地球卫星的位置保持、般天器的轨道转移和深空探测，可以极大地提高航天器的效能比。
那么空间核动力的发展概况如何呢
美国的的情况是早在20世纪50年代，美国和俄罗斯以下均含苏联就正式开始研发空间核动力技术，主要着眼于装备军用卫星、战略弹道导弹、巡航导弹等军用目的。投入了大量的人力、物力和财力，取得了重大成果。
1955年，美国制定了snap计划。1961年，发射了装备有放射性同位素电池snap3b7的宇宙飞行器。1965年，snap10a空间核反应堆电源在snapshot宇宙飞船上进行了试验。snap10a是世界上第一个空间核反应堆电源，也是美
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