壓水堆（英文簡稱PWR）最初是美國為核潛艇設計的一種堆型，然后逐漸發(fā)展到陸地上來。1957年，世界第一座商用壓水堆核電廠希平港核電廠建成，功率為6萬千瓦。五十多年來，這種堆型得到了很大的發(fā)展，經(jīng)過一系列的重大改進，已經(jīng)成為目前技術上最成熟的堆型之一。以壓水堆為熱源的核電廠稱為壓水堆核電廠，它主要由核島和常規(guī)島組成。在壓水堆核電廠的核島中，最主要的四大部件是堆芯、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵。而常規(guī)島主要是汽輪發(fā)電機組以及相關的輔助系統(tǒng)，核電廠的二回路與常規(guī)火電廠的蒸汽動力回路基本相似。
壓水堆的冷卻劑是輕水，這是因為輕水不僅價格便宜，而且具有優(yōu)良的熱傳輸性能。所以在壓水堆中，輕水不僅作為中子的慢化劑，同時也用作冷卻劑。但是，從傳熱的角度看輕水有一個明顯的缺點，就是常壓下沸點太低了。而根據(jù)熱力學原理，要使熱力系統(tǒng)有較高的熱能轉換效率，就要提高溫度；而要獲得高的溫度，就必須增加冷卻劑的系統(tǒng)的壓力使其處于液相狀態(tài)，其原理就好比我們日常使用的高壓鍋。因此壓水堆是一種使冷卻劑處于高壓狀態(tài)的輕水堆，現(xiàn)在我國大部分核電廠是壓水堆核電廠。
由于輕水的慢化能力及熱傳輸能力都好，所以用輕水做慢化劑和冷卻劑的輕水堆，結構緊湊，堆芯的功率密度大。體積相同的情況下，輕水堆功率較高；或者說在相同功率水平下，輕水堆比其它熱中子堆型的堆芯體積小。這是輕水堆的主要優(yōu)點，也是輕水堆的基建費用低、建設周期短的主要原因。
在天然鈾中，鈾-235的豐度只有大約0.7%，是無法直接在壓水堆中使用的。壓水堆采用的是鈾-235的富集度（鈾-235同位素占的重量百分比）約為3~5％的低濃鈾。濃縮好后再通過化學方法制得二氧化鈾粉末，然后像“陶藝”一樣進行高溫燒結，得到圓柱形二氧化鈾陶瓷芯塊。直徑約8mm，高約13mm，稱之為燃料芯塊。燒結好的燃料芯塊一個一個地重疊著放在外直徑約9.5mm、壁厚約0.57mm的鋯合金管內，這種鋯合金管稱為燃料元件包殼管。鋯合金管兩端有端塞，燃料芯塊完全封閉在鋯合金管內，構成燃料棒。這些燃料元件呈細長的棒狀，用多個定位格架定位，并組裝成燃料組件。每一個燃料組件包括兩百多根燃料棒，一般是將燃料棒排列成17行17列的正方形燃料棒束，組成燃料組件。燃料組件中間有一些棒的位置放置了空心管，以便插拔控制棒?？刂瓢羰呛k、鉿的金屬棒，核反應堆的啟、停和核功率的調節(jié)主要由控制棒控制。
燃料組件一個一個地排列在一起，并用上、下柵格板固定起來，這樣就組成了一個接近圓柱形的堆芯。堆芯由一百多個燃料組件拼裝而成，這些燃料組件總共包括幾萬根三米多長、比鉛筆略粗的燃料棒。整個堆芯放置在一個圓柱形的承壓容器內，是核反應堆的心臟。
冷卻劑流過堆芯后吸收堆芯釋放出來的熱量，溫度升高，密度降低，從堆芯上部流出。一般入口水溫300℃左右，出口水溫330℃左右，堆內壓力保持在150個大氣壓左右。一座100萬千瓦的壓水堆，堆芯每小時冷卻水的流量約6萬噸。這些冷卻水被封閉在冷卻劑回路內往復循環(huán)，并在循環(huán)過程中不斷抽出一部分水進行凈化，凈化后再返回到冷卻劑回路。冷卻劑回路有時又稱為一回路。
核反應堆內的冷卻劑，由于有熱脹冷縮及其它原因，如果不采取措施，在密閉回路內冷卻劑的壓力會波動，從而使反應堆的運行工況不穩(wěn)定。因此，在冷卻劑的出口和蒸汽發(fā)生器之間設有穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器是一個的空心圓柱體，里面大約一半水一半汽，用可壓縮性比較好的蒸汽來緩沖壓力的波動。
冷卻劑從蒸汽發(fā)生器的管內流過后，經(jīng)過冷卻劑回路循環(huán)泵又回到反應堆堆芯。冷卻劑回路循環(huán)泵又稱主泵。
綜上所述，包括壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵、穩(wěn)壓器及連接它們的管道閥門系統(tǒng)，是冷卻劑回路的壓力邊界（一回路），它們都被安置在安全殼廠房內，稱之為核島。
蒸汽發(fā)生器內有很多傳熱管，傳熱管內側流動的是一回路的高溫水，而傳熱管外側流動的是二回路的水。一回路的水流過蒸汽發(fā)生器傳熱管時，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℃左右的、6～7MPa的高溫蒸汽。所以在蒸汽發(fā)生器里，一回路與二回路在互不交混的情況下，通過管壁發(fā)生了熱交換。蒸汽發(fā)生器是分隔一回路和二回路的關鍵設備，一回路和二回路通過蒸汽發(fā)生器傳遞熱量，蒸汽發(fā)生器的本質是一個巨大的換熱器。壓水堆核電廠由于設置了二回路，使得正常運行情況下二回路的蒸汽沒有放射性。
從蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的高溫蒸汽，就可以去汽輪機做功帶動發(fā)電機發(fā)電了。從汽輪機流出的壓力已很低的乏汽，在冷凝器里凝結成水，然后又回到蒸汽發(fā)生器吸收冷卻劑回路內的熱量，變成高溫蒸汽。因此二回路的水是在蒸汽發(fā)生器、汽輪機、冷凝器組成的密封系統(tǒng)內來回往復流動，不斷重復由水變成高溫蒸汽、蒸汽做功、冷凝成水，水又變成高溫蒸汽的過程。在這個過程中，二回路的水從蒸汽發(fā)生器獲得能量，將大約三分之一的能量交給汽輪機做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，余下的大約三分之二的能量由于溫度參數(shù)太低而無法利用，通過冷凝器排出到環(huán)境中。
冷卻冷凝器用的水在三回路中流動，冷凝器實質上是二回路與三回路之間的熱交換器。三回路是一個開式回路，利用它將汽輪機排出的乏汽中難以利用的熱量排出到環(huán)境。在冷凝器里，三回路的水與二回路的水也是互不接觸，只是通過冷凝器內的管壁交換熱量。三回路的用水流量是很大的，一座100萬千瓦的壓水堆核電廠，三回路每小時需要四十多萬噸冷卻水。
壓水堆裝料后，大約經(jīng)過一兩年要進行一次更換燃料組件的操作，稱之為換料，每次換料只需裝卸三分之一的燃料組件。從反應堆中卸出的輻射過的燃料，通常稱為乏燃料。卸出的乏燃料組件，放在反應堆旁邊的貯存水池內。早期的壓水堆換料停堆四個月，現(xiàn)在換一次料最短可以兩個星期。換料時間的縮短，可縮短停電時間，提高核電廠利用效率，有利于核電廠更好地多發(fā)電。
到目前為止，核電廠的燃料元件、主循環(huán)泵、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、壓力容器的設計，正向標準化、系列化的方向發(fā)展。核電廠的研究開發(fā)工作，主要是為了進一步提高其安全性和經(jīng)濟性。有關各國在這方面都有龐大的研究計劃，并開展廣泛的國際合作。民用壓水堆核電廠安全可靠，已經(jīng)成為一種成熟的堆型，是核動力市場上最暢銷的“商品”。從20世紀60年代第一代商用壓水堆核電廠誕生以來，壓水堆的發(fā)展經(jīng)歷了幾代的改進。壓水堆的單堆電功率已達到170萬千瓦，熱能利用效率由28％提高到35％。
我國在1971年開始進行核電廠的研究和設計。經(jīng)過幾十年的努力，我國迄今已經(jīng)建成和正在建設的核電機組已經(jīng)達到十幾套，先后建成了秦山、大亞灣、田灣等多個核電基地。秦山核電廠是我國大陸第一座核電廠。它是我國自行設計建造的30萬千瓦原型壓水堆核電廠，于1985年開工建設，1991年12月15日首次并網(wǎng)發(fā)電，1994年投入商業(yè)運行，已有10多年安全運行的良好業(yè)績，被譽為“國之光榮”。隨后在30萬千瓦機組的基礎上，吸收國際先進技術，自行設計、建造的秦山二期核電廠，裝有兩臺60萬千瓦壓水堆核電機組，于1996年6月2日開工建設。1號機組于2002年2月6日實現(xiàn)首次并網(wǎng)，2002年4月15日提前47天投入商業(yè)運行。它的建成為我國核電自主化事業(yè)的進一步發(fā)展奠定了堅實的基礎。
田灣核電廠是從俄羅斯引進的2×100萬千瓦壓水堆核電廠，位于江蘇省連云港市。核電廠采用了全數(shù)字化儀控系統(tǒng)和雙層安全殼，進一步提高了安全性能。它于1999年10月20日開工建設，兩套機組分別在2004年和2005年投入商業(yè)運行。
位于我國廣東省深圳的大亞灣核電廠，是我國引進國外資金、設備和技術的第一座大型商用核電廠，也是我國改革開放以來最大的中外合資項目。它裝有兩臺單機容量為90萬千瓦級的壓水堆核電機組。兩套機組分別在1994年2月和5月投入商業(yè)運行，每年的發(fā)電量超過100億千瓦小時。20年合營期內上網(wǎng)電量的70％送往香港?！熬盼濉逼陂g投資規(guī)模最大的能源項目之一--位于深圳的嶺澳核電廠，裝有兩臺單機容量為90萬千瓦級的壓水堆核電機組，于2003年1月全面建成投入商業(yè)運行。1號機組第一個燃料循環(huán)就創(chuàng)造了連續(xù)安全運行332天的優(yōu)異成績。
我國向巴基斯坦出口了一座壓水堆核電廠，功率為30萬千瓦，于2000年6月投入運行，目前運行情況良好。盡管壓水堆壓水堆在歷史上是出過一次嚴重事故的，那就是1979年3月28日在美國三哩島核電廠發(fā)生的事故。
現(xiàn)在我國在建或擬建的核電廠主要為采用吸收世界20世紀60年代至90年代的建造運行經(jīng)驗，在設計上做了較大的改進的壓水堆技術。
來自: 三害一核科普網(wǎng)
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