反应堆
什么是反应堆呢？其实也就是“烧”核燃料的炉子。
通常我们所说的核电厂是一个以核反应堆、冷却剂回路、二次回路及其辅助系统组成的大系统。其中核反应堆是核电厂中的关键设备，好比火电厂中的锅炉，为整个电厂生产提供热源。
核反应堆是以铀或钚作核燃料，可控制一定数量的核燃料发生自持的链式裂变反应，并不断地把裂变能量带出作功的一种装置。反应堆内设置有能实施链式反应的核燃料和可控制核裂变反应速率以达到启动，正常运行，或停堆的控制设备。在反应堆中不断地进行着如下的核反应：
23592U＋10nA1Z2Y＋A
2Z2Y＋10n＋E
注：10n是中子，是裂变反应产生的中子数，X，Y是裂变产物，随反应条件不同而有所不同，E是裂变反应放出的能量。
那么反应堆是如何实现反应速率的控制呢？烧过煤炉的人都知道，当把炉子下面的通风口关小一点，使进入炉膛的空气少一些，火势就会弱下来。如果把反应堆内的核燃料比作是蜂窝煤的话，那么上面反应式中的10n就是空气了。反应堆就是通过控制堆内的中子数量来控制反应速率。正常运行情况下，反应堆内核反应消耗掉的中子数和产生的中子数相等，这称为有效增殖数，也就是等于1。此时，反应堆处于临界状态，链式反应能以恒定的速率进行。如果这时把控制棒（由能强烈吸收中子的物质，如镉制成）插进堆芯一些，中子数减少，有效增殖系数小于1，处于次临界状态，系统内的核反应速率将随时间不断减小，链式反应不能自持。相反地，如果把控制棒拔出来一些，则有效增殖系数大于1，处于超临界状态，系统核反应速率升高，放出裂变能的速率也越来越快。
在反应堆的控制中最注意的就是不能让反应堆老处于超临界状态，否则反应堆的功率越来越大。超过了额定功率以后，反应堆内的裂变热不能有效地被冷却剂带出，就会造成堆芯因温度过高而熔化，酿成恶性事故。
在第一次启动人类自己制造的反应堆时，人们的谨慎小心是可想而知的。为了防止反应堆失控时发生危险事故，紧急停堆用的控制棒一端挂了块重物，另一端用绳子系在栏杆上。有一个人拿了一把斧子站在旁边，以便必要时砍断绳索，使水平放置的紧急停堆用控制棒，能借助于重物的重力，迅速插入堆芯。即使如此，人们仍然担心控制棒由于某种意想不到的原因万一卡住，以致无法进入反应堆。因而还有3个人各拿一桶镉盐站在堆顶，以便一旦控制棒失灵时，将能强烈吸收中子的镉盐倒进反应堆，中止链式反应。
在今天的现代化反应堆中，上述的这种安全保护措施已经远远不适用了。各种先进的监测、控制设备能及时提醒操作人员对不正常情况做出反应，并且能在危险情况下自动把反应堆关闭。
二、主流堆型——压水堆
核反应堆是核电厂的关键设备，反应堆堆型的研究促成了核电厂的进一步发展。从核电厂问世以来，经过40多年大量的试验研究工作，以及随着核电厂的商业化和标准化的进展，根据经济、安全和技术上的可行性，逐步形成了目前核电厂中以轻水堆（包括压水堆和沸水堆）、重水堆和钠冷快中子增殖堆为主要堆型的局面。其中压水堆的装机容量占绝对优势。在已运行的400多座核电厂中，压水堆就占了60%；在建的100余座核电厂中，压水堆占76%。目前，我国已建成的两座核电厂——秦山核电厂和大亚湾核电厂也都属于压水堆电厂。
核电厂压力堆是在核潜艇压水堆的基础上发展起来的。所谓压力堆（PressureWaterReactor）就是指反应堆一回路的水冷却剂的压力很高，一般高达150个大气压。因为常压下水冷却剂到了100℃就会开始沸腾，对反应堆的运行不利（沸水堆因为结构上的特殊设计，允许一回路冷却剂沸腾）。加大水的压力，使水在300℃时仍不产生汽化现象，因而热效率较高。但是系统压力高也给设备带来了相应的要求，对铀资源的利用率较低则是压力堆需要克服的弱点。
压水堆之所以成为主流堆型，是由于它的一系列技术、经济和社会历史原因决定的。压水堆由于采用工业上熟悉的水作为冷却剂和慢化剂，因而技术成熟、结构紧凑，加上具有广泛的运行经验，使得它在下世纪仍有较大的发展前途。
更为重要的是，在目前运行的几种堆型中，压水堆具有较好的自稳特性。我们看到过不倒翁。由于它重心低，当人们企图推倒它时，由于位置变化所产生的重力力矩，使不倒翁又能回复到原来的平衡状态。而一些重心高的物体，当外界的扰动使物体的倾斜超过一定的限度时，由于倾斜引起的重力力矩会使物体进一步倾斜。在不倒翁的例子中，外界扰动引起的变化能使这种扰动产生的效果减弱，使系统恢复平衡，我们称这种情况为负反馈；如果外界扰动引起的变化，使扰动产生的效果加强，系统进一步偏离平衡，我们称这种情况为正反馈。只有具备负反馈的系统才是自稳的。
反应堆是各种矛盾的统一体，其反馈效应复杂得多。压水堆由于种种原因引起的负反馈作用较大，使得它具有自稳特性，这是压力堆作为主流堆型能保证安全的重要原因。而像切尔诺贝利核电厂运行的是只有前苏联才有的石墨沸水堆，它与压水堆的一个显著区别就是，当功率低于满功率的20%时，反应堆是正反馈。由于正反馈，当功率扰动时，就容易出现功率陡增。如果处理不当，就会酿成恶性事故。压水堆则总是处于负反馈中，大大地降低了控制系统的复杂性。1986年的切尔诺贝利事故之所以十分严重，长时间得不到控制，主要就是由于这种堆型有着很多与压力堆不同的特点造成的。
压水堆作为目前技术最完善、装机容量最大的反应堆堆型在今后很长一段时间内仍将占据核能领域的主流地位。同时，压水堆作为一种堆型的研究从未停止过前进的步伐。也许只有等快中子增殖堆进入大规模商用的阶段，压水堆才会完成它的历史使命，光荣地退出能源领域的舞台。
三、反应堆的趋势——快中子增殖堆
在反应堆这个大家族中，有一个与众不同的独特成员——快中子增殖堆（简称快堆）。一般反应堆里的燃料是越“烧”越少，而快堆的燃料却是越“烧”越多。也就是说，它能增殖燃料，所以人们给它起了个“增殖反应堆”的名字。
快堆为什么具有这种不同凡响的本领呢？
这还得先从核裂变反应说起。在一般的反应堆中，只能用铀—235或钚—239作为核裂变燃料来维持链式反应，而占天然铀992%的铀—238不能发生裂变反应，白白地浪费掉了。随着对反应堆物理研究的深入，人们发现当轰击铀核的中子能量大于01兆电子伏时，能使铀—238转化为可裂变的钚—239。我们把能量大于01兆电子伏的中子称为快中子，能量在01兆电子伏到1电子伏之间的中子称为超热中子，而能量小于1电子伏的中子就是普通反应堆中引发裂变反应的热中子。
快堆是利用快中子来引发裂变反应的。一方面，它也和压水堆一样消耗核燃料，另一方面快中子又不断地轰击铀—238，使其转化成为钚—239核燃料原子核，就可以生成十几个钚—239原子核，这就是核燃料越“烧”越多的秘密。当然，在这个过程中，铀—238还是减少了。
只要不断地添加铀—238，快堆就能在提供能量发电的同时，生产出大量的核燃料钚—239来。这些新产生出来的钚—239不仅可以提供给自身使用，也可以通过后处理不断地提取出来，供给压水堆使用。
正是由于快堆既可以吃“细粮”（铀—235），又可以吃“粗粮”（铀—238），所以它的应用不仅使天然铀资源的利用率提高到了70%以上，而且也在一定程度上解决了如何处理压水堆“烧”过的大量乏燃料（含有大量的铀—238）这个头痛的问题。可以说，快堆是最有发展前途的堆型。
