重水堆——只多一笔

所谓水之轻重，顾名思义，“重水”就是比“轻水”要重一些。

重水和普通水一样，也是由氢和氧化合而成的液体化合物，两者在外观上没有任何区别。不过，重水分子和普通水分子的氢原子有所不同。我们知道，氢有3种同位素。中国的科学家和翻译家们用一撇代表一个质子，一竖代表一个中子，只多一笔，就创造了三个精妙的新字。

●一种是氕（Protium），就像我们常用的笔画“丿（撇）”，也读作“piē”。它只含有一个质子。普通的水分子由两个只含有一个质子的氢原子和一个氧原子化合生成。

●另一种是重氢——氘（Deuterium），就像“刀”字，读作“dāo”。它含有一个质子和一个中子。

氕氘氚的原子结构

●还有一种是超重氢——氚（Tritium），就像“川”字，读作“chuān”。它含有一个质子和两个中子。

我们所说的重水分子，就是两个氘和一个氧组成的化合物，分子式为D2O（D代表氘），相对分子质量为20.0275，比水H2O的相对分子质量18.0153高出约11%，密度为1.105克/毫升，也大于水的1克/毫升，因此叫做重水。(https://www.daowen.com)

20世纪50年代，世界各国争相发展核电的时候，加拿大既没有铀浓缩技术，又不具备制造大型反应堆压力容器工业基础，为了发展民用核电只好另辟蹊径，也因此成就了另一个经典技术路径——重水堆。

重水堆核电厂采用上文提到的重水D2O作为慢化剂。轻水的慢化效果要好于重水，但轻水的吸收截面要大于重水，因此，轻水堆中核燃料使用浓度为3%～5%的低浓缩铀，就是为了弥补轻水吸收中子的能力及提高燃耗能力。当把反应堆中的轻水换为重水后，中子吸收截面降低，可以直接使用铀-235浓度极低（约为0.7%）的天然铀，就可以让堆芯维持链式反应。

重水堆运行原理图

最为经典的加拿大坎杜堆（CANDU）系列，其本体由一个装满重水的卧式容器的排管容器和上百根装载着核燃料的压力管组成。其主要原理和压水堆类似，同样是核反应放出热量加热高压水，高温高压的一回路水把蒸汽发生器里的二回路水加热成蒸汽，蒸汽推动汽轮机转动，带动发电机转动产生电能。

在加拿大CANDU系列中，CANDU6是最为经典的型号，即单机组容量为60万千瓦，后续又开发了CANDU9百万千瓦重水堆机型。

和沸水堆、压水堆都不一样，重水堆的核燃料是横向布置的，主要是为了实现不停机换料。这是因为重水堆使用的天然铀反应性后备量低，需要在运行期间使用特制的换料机器人从一端将乏燃料从压力管中捅出来，再从另一端塞入新燃料，随时为反应堆补充反应性。