作又在堆外工作的一種反應堆介質，這就要求冷卻劑必需在高溫和高中子通量場中工作是穩定的。台灣小說網
www.192.tw此外，大多數適合的流體以及它們含有的雜質在中子輻照下將具有放射性，因此冷卻劑要用耐輻照的材料包容起來，用具有良好射線阻擋能力的材料進行屏蔽。
理想的冷卻劑應具有優良慢化劑核特性，有較大的傳熱系數和熱容量、抗氧化以及不會產生很高的放射性。液態鈉主要用于快中子堆和鈉鉀合金主要用于空間動力堆具有大的熱容量和良好的傳熱性能。輕水在價格、處理、抗氧化和活化方面都有優點，但是它的熱特性不好。重水是好的冷卻劑和慢化劑，但價格昂貴。氣體冷卻劑如二氧化碳、氦具有許多優點，但要求比液體冷卻劑更高的循環泵功率，系統密封性要求也較高。有機冷卻劑較突出的優點是在堆內的激活活性較低，這是因為全部有機冷卻劑的中子俘獲截面較低，主要缺點是輻照分解率較大。應用最普遍的壓水堆核電站用輕水作冷卻劑兼慢化劑。
核反應堆有許多用途，當前最重要的用途是產生熱能，用以代替其他燃料加熱水，產生蒸汽發電，當前全部商業核反應堆都是基于核裂變的，其裂變產物可以生產核武器中使用的鐶。法國是應用核反應堆發電較為廣泛的國家之一。隨著石油和煤炭資源日漸稀缺，核能發電開始受到重視。但是同時，核能發電產生的放射性廢物污染問題成為核能發展的障礙。
目前，世界上應用比較普遍或具有良好發展前景的，主要有壓水堆、沸水堆、重水堆、高溫氣冷堆和快中子堆五種堆型。
壓水堆
壓水堆pwr最初是美國為核潛艇設計的一種熱中子堆堆型。四十多年來，這種堆型得到了很大的發展，經過一系列重大的改進，已經成為技術上最成熟的一種堆型。
壓水堆電站采用以稍加濃鈾作核燃料，燃料芯塊中的鈾235的富集度約3。核燃料是高溫燒結的圓柱型二氧化鈾陶瓷燃塊。
柱狀燃料芯塊被封裝在細長的鋯合金包殼管中構成燃料元件，這些燃料元件以矩型點陣排列組成燃料組件，組件橫斷面的邊長為20厘米，組件的長度為3米。上百個這樣的組件拼裝成壓水堆的堆芯。堆芯客觀上為圓柱型。一般堆芯的直徑有達幾米。ap1000的壓力容器的直徑有4.04米。
壓水堆的冷卻劑是輕水。輕水的價格便宜，而且它具有良好的熱傳輸性能。所以在壓水堆中，輕水不僅作為中子慢化劑，同時也用作冷卻劑。
但輕水有一個明顯的缺點，就是沸點低。要使熱力系統有較高的熱能轉換效率，根據熱力學原理，核反應堆應有高的堆芯出口溫度參數；要獲得高的溫度參數，就必須增加冷卻劑的壓力，使其處于液相狀態。所以壓水堆是一種使冷卻劑處于高壓狀態的輕水堆。壓水堆冷卻劑入口水溫是300攝氏度左右，出口水溫330攝氏度左右，堆內壓力15.5a。
高溫水從壓力容器上部離開反應堆堆芯以後，進入蒸汽發生器，高溫水，也就是被加熱的冷卻劑從蒸汽發生器的管內流動，經過冷卻劑回路循環泵又回到反應堆的堆芯。
蒸汽發生器內有很多的傳熱管，傳熱管外為二回路的水，冷卻劑回路水流過蒸汽發生器的傳熱管時，將攜帶的熱量傳輸給二回路內流動的水，從而使二回路的水變成280攝氏度左右的、67a的高溫蒸汽。高溫蒸汽流過汽輪機，使其轉動去帶動發電機組發電。余下的大部分不能利用的能量交給冷凝器，能過三回路排放到最終的熱阱江、河、湖、海或大氣。
壓水堆核電站的特點是結構緊湊，堆芯的功率密度大，在經濟上基建費用低，建設周期短。栗子網
www.lizi.tw但也有缺點，那就是要采用高壓的壓力容器，還有就是必須采用有一定富集度的核燃料。
沸水堆
沸水堆與壓水堆同屬于輕水堆家族，都使用輕水作慢化劑和冷卻劑，低富集度鈾作燃料，燃料的形態為二氧化鈾陶瓷芯塊，外包鋯合金包殼。
典型的沸水堆堆芯內共有約800個燃料組件，每個組件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組件盒以隔離流道，每一個燃料組件裝在一個元件盒內。具有十字形橫斷面的控制棒安排在每一組四個組件盒的中間。
冷卻劑自下向上流經堆芯後，大約有14的重量被變成蒸汽。為了得到干燥的蒸汽，堆芯的上方設置了汽水分離器和干燥器。由于堆芯的上方被這些設施佔據，沸水堆的控制堆只好從堆芯下方插入。
沸水堆核電站有幾個特點，第一點是直接循環，就是將核反應堆產生的蒸汽直接引入蒸汽輪機，推動汽輪機發電機組發電。這是沸水堆核電站與壓水堆核電站最大的區別。第二個特點是工作壓力可以降低，沸水堆堆芯的壓力只需加壓到約70個大氣壓，即堆芯的工作壓力由壓水堆的15a左右下降到沸水堆的7a左右，也已經說降到了壓水堆工作壓力的一半，這使系統得到極大的簡化，能顯著地降低投資。
與壓水堆核電站相比，沸水堆核電站的主要缺點是︰一是輻射防護和廢物處理較復雜，由于沸水堆只有一個回路，反應堆內流出的有一定放射性的冷卻劑被直接引入蒸汽輪機，導致放射性物質直接進入蒸汽輪機等設備，使得輻射防護和廢物處理變得較復雜。使得汽輪機檢修時困難較大；檢修時需要停堆的時間也較長，從而影響核電站的設備利用率。二是功率密度比壓水堆小。水沸騰後密度降低，慢化能力減弱，因此沸水堆需要的核燃料比相同功率的壓水堆多，堆芯及壓力的殼體積都比相同功率的壓水堆大，導致功率密度比壓水堆小。
重水堆
重水堆是指用重水d2o作慢化劑的反應堆。按結構分，重水堆可以分為壓力管式和壓力殼式。采用壓力管式時，冷卻劑可以與慢化劑相同也可不同。壓力管式重水堆又分為立式和臥式兩種。壓力殼式重水堆只有立式，冷卻劑與慢化劑相同，與壓水堆或沸水堆類似。
重水堆燃料元件的芯塊也是燒結的二氧化鈾的短圓柱形陶瓷塊，這種芯塊也是放在密封的外徑約為十幾毫米、長約500毫米的鋯合金包殼管內，構成棒狀元件。由19到43根數目不等的燃料元件棒組成長約500毫米、外徑為100毫米左右的燃料棒束組件。
反應堆的堆芯是由幾百根裝有燃料棒束組件的壓力管排列而成。重水堆壓力管水平放置，管內有12束燃料組件，構成水平方向尺度達6米的活性區。作為冷卻劑的重水在壓力管內流動以冷卻燃料元件。
壓力管是承受高壓重水沖刷的重要部件，是重水堆設計制造的關鍵設備。作為慢化劑的重水裝在龐大的反應堆容器稱為排管容器內。保持慢化劑處于要求的低溫低壓狀態。同心的壓力管和排管貫穿于充滿重水慢化劑的反應堆排管容器中，排管容器則不承受多大的壓力。總長可達8、9米的排管兩端有法蘭固定，與排管容器的殼體聯成一體。
這種壓力管臥式重水堆可以在反應堆運行時，由裝卸料機連接壓力管的兩端密封接頭進行不停堆換料。每次換料時，將8束新組件從壓力管的－端推進去，同時從同一壓力管的另一端將輻照過的燃料組件推出。栗子網
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重水堆核電站與輕水堆核電站相比較，有以下幾點主要差別，這些差別是由重水的核特性及重水堆的特殊結構所決定的︰1中子經濟性好可用天然鈾、節約天然鈾；2可以不停堆更換核燃料；3重水堆的功率密度低；4重水費用佔基建投資比重大。
高溫氣冷堆
除了用水冷卻外，還有用氣體作為冷卻劑的氣冷堆。氣體的主要優點是不會發生相變。但是氣體的密度低，導熱能力差，循環時消耗的功率大。為了提高氣體的密度及導熱能力，也需要加壓。
氣冷堆在它的發展中，經歷了三個階段，形成了三代氣冷堆:天然鈾石墨氣冷堆、改進型氣冷堆、高溫氣冷堆。
高溫氣冷堆是一種用高富集度鈾的包敷顆粒作核燃料、石墨作中子慢化劑、高溫氦氣作為冷卻劑的先進熱中子轉化堆。
高溫氣冷堆的冷卻劑是氦氣。球形元件重疊時，彼此間有空隙可供高溫氦氣流過。在氦循環風機的驅動下，氦氣不斷通過堆芯將裂變熱帶出，進行閉式循環。氦氣的壓力一般為4a。
1985年德國建成的30萬千瓦電功率的高溫釷堆，是一種用蒸汽間接循環的高溫汽冷堆，它的堆芯高6米，直徑5.6米，功率密度6k的球，其中35.8萬個是裝了燃料的球，31.7萬個是慢化和控制用的石墨球和可燃毒物球。堆芯放在預應力混凝土壓力殼內，預應力混凝土壓力殼殼外直徑24.8米，高25.5米。反應堆運行時，新的燃料球由反應堆的頂部加料機構加入，燒過的燃料球依靠它的自重從反應堆漏斗式底部卸出，經過燃耗分析器檢定，將未燒透的燃料球送回堆芯繼續使用，這樣可以做到連續不停堆裝卸料。
目前的高溫氣冷堆分為三種︰1用蒸汽進行間接循環的高溫氣冷堆；2直接循環的高溫氣冷堆，這種堆的氦氣出口溫度達850c；3特高溫氣冷堆，這種堆的氦氣出口溫度達950c以上。
高溫氣冷堆由于采用包敷顆粒核燃料，取消了燃料元件的金屬包殼，又用傳熱性能較好、化學性能穩定、中子吸收截面小的氦氣作冷卻劑，因此它具有下列與眾不同的特點；1核電站選址靈活且熱效率高；2高轉化比；3安全性高；4對環境污染小；5有綜合利用的廣闊前景；6可實現不停堆換料。
雖然高溫氣冷堆有以上這些突出的優點，但是由于技術上還沒有達到成熟的階段，仍有很多技術問題影響著它的迅速發展。這些問題歸納為︰1燃料元件復雜的制備工藝；2高溫高壓氦氣回路設備的工藝技術問題；3燃料後處理及再加工問題。
快中子堆
快中子反應堆，簡稱快堆，是堆芯中核燃料裂變反應主要由平均能量為0.1v以上的快中子引起的反應堆。
快中子堆一般采用氧化鈾和氧化鐶混合燃料或采用碳化鈾碳化鐶混合物，將二氧化鈾與二氧化鐶混合燃料加工成圓柱狀芯塊，裝入到直徑約為6毫米的不銹鋼包殼內，構成燃料元件細棒。燃料組件是由多達幾十到幾百根燃料元件細棒組合排列成六角形的燃料盒。
快堆堆芯與一般的熱中子堆堆芯不同，它分為燃料區和增殖再生區兩部分。燃料區由幾百個六角形燃料組件盒組成。每個燃料盒的中部是混合物核燃料芯塊制成的燃料棒，兩端是由非裂變物質天然或貧化二氧化鈾束棒組成的增殖再生區。核燃料區的四周是由二氧化鈾棒束組成的增殖再生區。
反應堆的鏈式反應由插入核燃料區的控制棒進行控制。由于堆內要求的中子能量較高，所以快堆中無需特別添加慢化中子的材料，即快堆中無慢化劑。
目前快堆中的冷卻劑主要有兩種︰液態金屬鈉或氦氣。根據冷卻劑的種類，可將快堆分為鈉冷快堆和氣冷快堆。目前前者僅處于探索階段。鈉冷快堆有回路式和池式兩種類型。
快中子核電站的主要特點歸納如下︰
1可充分利用核燃料；
2可實現核燃料的增殖；
3低壓堆芯下的高熱效率。
可以說，快堆對即將到來的核能大發展是最為重要的堆型。
第二十五章空間核動力
對于大多數人來說，空間核動力或說空間核電源、空間反應堆這樣的名詞是陌生的，也很少有關注。畢竟它們與我們的生活有點距離。就是連林向陽自己也是許多年沒有關注其發展了，其實他與空間核動力是很有點感情的。
在上個世紀的九十年代，林向陽翻譯了不少有關空間堆的資料，並又寫了一篇空間核動力安全和發展趨勢的論文用于我的工程師報告，那是一項做的有成就感的事之一，之後還參加了四川核學會青年科學工作者的學術交流。想一想20多年過去了，現在再提起空間反應堆，有一種歲月飛逝之感。那些裝有核電源的去太空的飛船們不知飛的可好......
重溫的空間堆發展歷史，不能不感覺到人們探索的不易和不可想象、不可思議。讓我們回頭再去看看。
空間核動力包括空間核電源和核推進，用來給航天器提供電能和推進動力。空間核動力是軍民兩用技術，可以滿足通信衛星、軍用衛星、空間站、空間運輸、空間武器作戰平台、深空探測、外星基地等對電能和推進的需求。
空間核電源分為空間核反應堆電源和放射性同位素電源。空間核反應堆電源通過靜態轉換或動態轉換的方式把核反應堆的裂變熱能轉變為電能。靜態轉換直接把裂變熱能轉變為電能，通常采用熱電偶轉換和熱離子轉換方式。動態轉換先把裂變熱能轉變為機械能，再把機械能轉變為電能，一般采用布雷頓循環、朗肯循環和斯特林循環中的一種。放射性同位素電源分為放射性同位素電池和放射性同位素動態發電系統兩種，前者采用的是熱電直接轉換的熱電偶轉換方式，後者則采用動態轉換方式。一般說來，靜態轉換技術難度較小，但轉換效率較低；動態轉換技術難度大，轉換效率較高。
核推進分為核熱推進和核電推進。核熱推進與核電推進的共同點都是以核能例如核反應堆的裂變熱能作為推進的能源。區別之處在于，核熱推進利用核反應堆核裂變產生的熱量直接加熱推進工質；核電推進則是先把裂變熱能轉變為電能之後，再利用電能電離和加速推進工質。兩者相比，核熱推進的推力可以很大，比沖卻不如核電推進高；核電推進的比沖很高，但推力卻比較小。
雙模式電源推進空間核動力系統是把空間核反應堆電源和核推進相結合，可以構成既能給航天器提供電能，又能提供推進動力的功能強大的空間核動力系統，如空間核反應堆電源核熱推進系統，以及空間核反應堆電源核電推進系統。
空間核電源的特點
目前，航天器使用的空間電源主要有3類︰化學電池、太陽能電池陣蓄電池組聯合電源和核電源。化學電池結構簡單，工作可靠，內阻小，工作電壓平穩，適合大電流放電，但工作壽命短，低溫性能差，功率也比較小，最多到幾百瓦。太陽能電池陣蓄電池組聯合電源技術成熟，性能可靠，工作壽命長，供電能力強，可實現數十千瓦的電功率，是現在應用最為廣泛的空間電源。
但是，在大功率條件下，采用太陽能電池陣會帶來一些難題，如依賴光照條件，對發射窗口、軌道參數、飛行姿態和對日定向等均有嚴格限制，對航天器總體設計提出了比較苛刻的要求；大面積的太陽能電池陣對機動飛行和低軌道飛行帶來較大阻力，需要攜帶大量燃料進行軌道維持，同時也存在安裝和展開的技術困難；展開面積大，結構復雜，難以實現高精度和高穩定度的姿態控制；受空間碎片、隕石和外部打擊面大，也容易受輻射等因素的影響，從而造成破損、性能下降或失效，生存能力差；在陰影、深空等環境下不能工作。
放射性同位素電源主要指熱電直接轉換的放射性同位素電池功率小，壽命長，工作可靠，已廣泛用于對功率需求不大的各種空間任務中。空間核反應堆電源技術難度高，研制周期長，要考慮輻射防護和核安全等特殊問題。但空間核反應堆電源具有重要優勢︰易于實現大功率供電，能為航天器提供數kw的電能；能量密度大，在高功率下，質量比功率優于太陽能電池陣蓄電池組聯合電源系統；重量輕、體積小、比面積小、阻力小、受打擊面小，隱蔽性好；功率調節範圍大，具有快速提升功率的能力，機動性高；不依賴太陽輻射能，不需要對日定向，可全天時、全天候連續工作；環境適應性好，具有較強的抗空間碎片撞擊能力，可在塵埃、高溫、輻射等惡劣條件下工作。空間核反應堆電源是軍事航天的理想電源，是深空探測不可替代的空間電源。
核推進的特點
核熱推進系統即核火箭發動機與液體火箭發動機很相似，主要差別在于核熱推進系統利用核反應堆替代了液體火箭的燃料燃燒室，用單組分的工作介質氫替代了液體火箭發動機的雙元液體推進劑液體燃料和液態氧。
從原理上分析，核熱推進系統與化學火箭發動機相比具有3個優點。第一，核裂變或核聚變過程中釋放出來的巨大能量是化學燃燒或爆炸產生的能量所不能比擬的，兩者之差100萬倍。第二，核裂變或核聚變比化學反應能獲得更高的溫度。高溫或超高溫是使工作介質達到高流速、火箭達到高比沖的決定性因素之一。第三，核熱推進系統只需要一種成分的工作介質。
比沖是火箭發動機最重要的性能參數之一，也叫比推力，單位是“秒s”。核熱推進系統的根本優勢就在于可以利用分子量最小的單組分工作介質得到最大的比沖。如果以“氫”作為工作介質，在其他因素相同的條件下，核熱推進系統的比沖要比化學火箭的高出2倍多。由于比沖高，完成相同的空間飛行任務，核熱推進系統所需推進劑的質量僅為化學火箭發動機推進劑質量的13。而所需的任務成本不到化學火箭發動機的44。
核電推進系統核電火箭發動機的技術基礎是空間核反應堆電源和電火箭技術。核電推進系統的特點是具有極高的比沖例如8000s和較大的推力0.66n。把核電推進系統用于地球衛星的位置保持、般天器的軌道轉移和深空探測，可以極大地提高航天器的效能比。
那麼空間核動力的發展概況如何呢
美國的的情況是早在20世紀50年代，美國和俄羅斯以下均含甦聯就正式開始研發空間核動力技術，主要著眼于裝備軍用衛星、戰略彈道導彈、巡航導彈等軍用目的。投入了大量的人力、物力和財力，取得了重大成果。
1955年，美國制定了snap計劃。1961年，發射了裝備有放射性同位素電池snap3b7的宇宙飛行器。1965年，snap10a空間核反應堆電源在snapshot宇宙飛船上進行了試驗。snap10a是世界上第一個空間核反應堆電源，也是美
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