在美國頒布“和平利用原子能”法案后,直到20世紀70—80年代這個“第一核紀元”里,核裂變反應堆已經從發電不足1瓦的“芝加哥I號”,巍然成長為形式各異的百萬千瓦級能量巨人了。各工業發達國家也隨之產生了一批擁有核電廠設計、開發能力的龍頭企業,在商用核電產業競技場上頗有群雄逐鹿之勢。
核電廠最為重要的部分是以反應堆為核心的核蒸汽供應系統。核蒸汽供應系統的區別,則主要是由反應堆核燃料、慢化劑與冷卻劑,這三大因素的不同選擇方案所決定的。這里將根據這些因素,展示幾種成熟的商用反應堆芳容。
反應堆鼻祖“芝加哥I號”的基因被比較完整地保留了下來,并首先在英國建成了以天然鈾作核燃料、石墨作慢化劑,并以二氧化碳氣體作冷卻劑的MAGNOX反應堆;后來,通過提高核燃料的鈾濃度,以及冷卻劑二氧化碳的出口溫度和壓力,形成了“先進氣冷堆”(AGR)。
而今,在改善核燃料構型,并使用物性更穩定的氦氣作冷卻劑的基礎上,更為先進的“高溫氣冷堆”(HTGR)也積極發展起來。但這種堆型工程建造與運行維護要求較高,至今尚沒有大型核電廠的建造經驗。
同樣使用天然鈾作核燃料的堆型,還有用重水作為慢化劑兼冷卻劑的重水堆(CANDU),這主要是由于重水吞噬中子的能力很小,并且能讓天然鈾“燃燒”的很充分。但“重水(D2O)”極其稀有,其含有的氫元素要比常見的“輕水(H2O)”多一個中子,在自然界中其含量低于萬分之二,因此重水堆的造價也就相當昂貴。并由于重水慢化中子的能力不如輕水,使得同功率的重水堆都要比輕水堆的塊兒頭更大些。
與重水堆相對的,在使用輕水作為慢化劑兼冷卻劑的輕水堆中,維持鏈式反應的中子常常會被輕水吞噬而損失掉,因此輕水堆一般都用加濃鈾作為核燃料。但輕水的中子慢化性能較好、容易獲得且廉價,且密度高、黏性小、熱工性能良好。而根據運行過程中反應堆內的輕水是否總是保持液態,還可分為壓水堆(PWR)與沸水堆(BWR)。
在核電家族譜中,輕水堆這一分支可謂“人丁興旺”。其中,壓水堆技術主要由美國西屋電氣(WestingHouse)、燃燒工程公司(CE)發展,這種堆型體積較小、結構緊湊,工程建造與運行經驗都非常豐富。沸水堆技術則落戶于通用電氣公司(GE),其結構相對壓水堆更為簡單、但工程與設備方面的要求更為嚴格。這兩種堆型已分別經過了數次整合與革新,共同把輕水堆技術推向了前所未有的高度。
根據2009年的世界核協會的統計數據,壓水堆艷壓群芳,以占運行機組總數60.6%的比例成為了商用反應堆中毋庸置疑的王者,沸水堆與重水堆則分別以21.1%及10.3%分列榜眼與探花。
這些反應堆僅是核電大家族的幾個代表。在并不算長的半個世紀中,其他諸如能夠使乏燃料得到有效處理、并使核燃料增殖的快中子增殖堆等堆型,雖已嶄露頭角卻并沒有成為核電發展的主力,或許這只是未到其大顯身手的時候罷了。