核电“自画像”
尽管在前文，我们提到了秦山核电站最终选择了压水堆技术路线，但却对它的样貌知之甚少。不妨请压水堆画一幅内部系统与结构的“自画像”，深入认识一下这位“时代之子”吧。
压水堆核电厂工作原理图
●首先，是与核燃料紧密相连的一回路系统（左侧黄色回路）。
反应堆压力容器里的核燃料发生核反应时会产生大量热量，把水加热。压力容器中水的压力为10～20兆帕，高压使得水在此温度下保持在过冷状态，以保证反应堆的有效冷却和传热。水沿着管道进入蒸汽发生器，隔着管子将热量传给蒸汽发生器里的二次侧冷水（蓝色部分），再由主泵推送回压力容器重新加热。由此往复循环，被称为“一回路”。
●然后，是和汽轮机相连的二回路（中部蓝色回路）。
根据机组功率大小，蒸汽发生器里有成千或上万根管子，不同型号机组的管子粗细也不尽相同。管子里流过一回路的热水（红色部分），管子外是二回路的冷水（蓝色部分），冷水可以隔着薄薄的管壁吸收一回路的热量。由于二回路的压力相对较低，所以二回路的水会在高温下被加热沸腾，变成蒸汽。随后，蒸汽从蒸汽发生器上方的口中进入汽轮机，推动汽轮机叶片转动，并带动同轴的发电机转动。发电机一转，电就出来了。同时，吹过汽轮机的乏汽经过冷凝器，被冷凝成水，再被泵推送回蒸汽发生器里，由此往复循环，被称为“二回路”。
●最后，看看和外部冷却水源相连的三回路（右侧蓝色回路）。
冷凝器里也有很多细密的管子，管子外是需要被冷却成水的二回路做完功的乏蒸汽，管子里是冷却水源，有的电厂是用海水，有的电厂是用冷却塔的循环水。以海水冷却为例，海水被泵推送入冷凝器的管子中，冷却了管子外的蒸汽后再回到大海。
从这三个回路的循环可以看出，人们最担心的有辐射的核燃料被包在一回路里，而二回路只接受一回路的热量，不发生质量交换，也不会有任何放射性物质从一回路跑到二回路中。同样，从二回路到三回路也是只有隔着管子的热交换。二回路的水也不会跑到三回路。与此同时，为了防止一回路与二回路、二回路与三回路之间的泄漏，设有专门探测器来监督其系统完整性。所以说，有人担心核电厂抽了海水再排回大海，海水就会带出核电厂中的辐射，是完全没有必要的。
两环路布置示意图
此外，根据功率等级、设备标准化的不同，核电厂一回路的环路布置方案也多种多样，左图即采用了两条环路。同样的，我们也可以设计出三环路（如M310、M312、M314等型号）、四环路（如M412、M414、VVER、P4、N4、EPR等型号）布置的机组。
了解了核电厂的三大回路，那让我们再来看看核电厂的主要设备。
燃料组件
核电站的燃料是铀，其有效成分是其中低浓缩铀，含量为3%～5%。对压水堆核电站来说，核燃料被烧结成一个个圆柱状的二氧化铀陶瓷体，放射性物质约束其中。圆柱体高1厘米有余，直径小于1厘米，被称为燃料芯块。这些二氧化铀陶瓷体作为“第一道放射性屏障”，能有效防止放射性气体外泄。
将很多个燃料芯块首尾相接装在用锆合金做成的包壳管中，密封后两头用弹簧压实，就成为一根根细长的燃料棒。其中，燃料包壳能有效包容从燃料芯块中逃逸出来的放射性物质，故被称为“第二道放射性屏障”。
这些燃料棒按阵列做成方形的捆，并用燃料格架确保棒与棒之间的距离，加上位于下部的底座，位于上部的上管座，就成为燃料组件。其中的格架、管座等部件共同“支撑”起水流通道，确保堆芯核反应产生的热量能够被及时带走发电，确保核反应堆安全、可靠地运转。
燃料组件组成近似圆形的阵列，装入反应堆压力容器，就成为核电站的反应堆堆芯。通常，一个反应堆的堆芯内会有几十个到上百组燃料组件。
燃料芯块
管座
格架
各种燃料棒
从燃料芯块到燃料棒到燃料组件(https://www.daowen.com)
压力容器
压力容器是装载核燃料的地方，也是核反应发生的地方。它是决定核电站寿命的重要部件，因此需要对这个“大锻件”的化学成分、锻造过程进行严格的控制。压力容器是由一个高强度低碳合金钢制成的立式筒形结构。不同堆型电厂的压力容器体积略有不同，一般来说百万千瓦级核电站的压力容器高度可到14米，直径可到4～5米，大小相当于一辆竖起来的集装箱卡车。
压力容器剖面图
控制棒
核裂变反应会产生中子，这些中子又可以驱动新的核裂变反应，如果堆芯的中子数量过多，核裂变反应就会越来越剧烈，所以我们需要控制中子的数量，从而控制堆芯的热功率。反应堆内一般会使用黑棒（银铟镉棒，用于停堆）和灰棒（钨棒，用于功率调节）作为中子的吸收体，称之为控制棒。
控制棒也组装成组件的形式，一根根合金管插入燃料组件的空隙中，上方通过蜘蛛形的吊架挂在连接柄上，连接柄上方连在压力容器外的控制棒驱动机构上。反应堆不运行时，控制棒从上方一直插到堆芯底部，因为中子都被控制棒吸收，此时反应堆功率为零。而启动反应堆时，控制棒驱动机构将控制棒一步步提起，中子就得到了撞击铀原子核发生核反应的机会。运行过程中，操作员还可以根据需要调节控制棒的高度，上提则功率增加，下插则功率降低。一旦发生事故，全部控制棒会在重力作用下自动快速下落，使反应堆内的裂变反应停止。
驱动机构（左）及控制棒组件（右）
主泵
全称反应堆冷却剂泵，位于核岛一回路系统中。它是核电运转控制水循环的关键、一回路中唯一转动的设备，也是设计难度最大、周期最长的核电站一级设备。主泵的作用类似于心脏，用于推动核电站的“血液”流动，也就是冷却水在一回路系统内流动，将堆芯燃料产生的热量传递给蒸汽发生器。
主泵类型之一轴封泵
主泵在不同的场景下也有着不同的功能：在一回路充水时，可利用主泵赶走蒸汽发生器U形管里的空气；在反应堆启堆前，不停转动的主泵可以升高一回路冷却剂的温度，成为一个几千千瓦的大号“热得快”。
主泵可以分为轴封型和无轴封型两种，随着不同代的压水堆技术对于主泵不同的要求，主泵的技术也是大致经历了从无轴封到轴封，再回到无轴封的演化历程。无轴密封的主泵清除了在失去动力电源情况下轴封泵可能引起泄漏的冷却丧失事故可能性。
蒸汽发生器
蒸汽发生器类似于人体的肺，把一回路的热量传递到二回路，一回路的水从水室下封头的一侧（进口水室）进入蒸发器，经过U形传热管，放热后回到下封头的另一侧（出口水室），再流回一回路。同时，蒸汽发生器又是分隔一次侧、二次侧的屏障，对核电厂安全运行十分重要。
U形管是一回路和二回路，也就是放射性物质的边界。U形管外侧流的水就是二回路的水，二回路水被加热后，变成汽水混合物，进入上部的汽水分离器，经过汽水分离和干燥后，形成饱和干蒸汽，汇集到顶部的出口处，进入汽轮机。
1989年，秦山核电厂首台国产蒸汽发生器出厂
蒸汽发生器剖面图
“四道屏障”守护安全
核电站安全的基本目标是，确保公众和厂区工作人员在所有运行工况下受到的辐射照射保持在适当的规定限值之内；在事故工况下受到的辐射保持在可接受的限值之内。为此，核电站设计中设置了四道反应堆安全屏障。
●第一道屏障——核燃料芯块。现代反应堆广泛采用耐高温、耐辐射和耐腐蚀的二氧化铀陶瓷核燃料。经过烧结、磨光的这些陶瓷型的核燃料芯块，只要不发生芯块烧毁能保留住98%以上的放射性裂变物质不逸出，只有穿透能力较强的中子和γ射线才能辐射出来。这就大大减少了放射性物质的泄漏。
●第二道屏障——核燃料包壳。二氧化铀陶瓷芯块被装入包壳管，叠成柱体，组成了燃料棒。由锆合金或不锈钢制成的包壳管必须绝对密封，在长期运行的条件下不使放射性裂变产物逸出，一旦有破损，要能及时发现，采取措施。
●第三道屏障——压力容器和封闭的一回路系统。这屏障足可挡住放射性物质，特别是运行过程中活化产生的放射性外泄。即使堆芯中有1%的核燃料元件发生破坏，放射性物质也不会从它里面泄漏出来。
●第四道屏障——安全壳厂房。它是阻止放射性物质向环境逸散的最后一道屏障，它一般采用双层壳体结构，对放射性物质有很强的防护作用，万一反应堆发生严重事故，放射性物质从堆内漏出，由于有安全壳厂房的屏障，对厂房外的环境和人员的影响也微乎其微。
