在核电站发展的初期，核物理圈子里的传统观点：既作慢化剂又作冷却剂的水，若在反应堆运行过程中沸腾，产生的气泡可能会影响中子的行为，难以预测反应堆的临界，并导致运行不稳定，甚至过热。
或许比压水堆更安全,沸水堆诞生
为了避免高温的水在反应堆中沸腾，西屋公司不得不采用一回路高压设计的方案，也就是大家熟知的压水反应堆。自然地，为了满足耐受高温高压的要求，压水堆方案对关键材料和重要设备带来了不小挑战，压力容器、蒸汽发生器、给水泵、燃料元件包壳等的研制，在当时就遇到很大的困难。
不过，一位来自阿贡国家实验室的核科学家，塞缪尔·安特梅耶二世(Samuel Untermyer II)却提出了一个相当出格的观点：恰恰相反，沸腾的水会增加反应堆的稳定性，继而使得反应堆更容易控制。
他提出，反应堆设计可以省略一个回路，不用保持高压运行状态，水在反应堆中加热、沸腾，变成高温蒸汽，直接推动汽轮发电机组工作。这种反应堆，机械设计将大大简化，管道和泵的数量大大减少，而且干脆去掉了压水堆中造价昂贵的蒸汽发生器和稳压器，将来更适合商业用途。可想而知，安特梅耶的设想，在当时不啻于天方夜谭了。
其实，安特梅耶的观点，并不全然异想天开，而是出自于一次真实事故的思考。1952年6月2日，在芝加哥城郊的红门森林地区，为了测试将来用在潜艇核动力反应堆上控制棒的特性，阿贡国家实验室在一个临界装置上，进行了许多次实验。
这个临界装置，是“鹦鹉螺”号核潜艇反应堆的复制品，但是功率极低。在一次实验过程中，由于运行人员操作失误，导致反应堆瞬发临界，发生蒸汽爆炸。结果，临界装置被损毁，4个在场的工作人员受到超剂量辐射照射。让安特梅耶惊讶的是，事故后果并没有自己想象的那么严重，想搞清楚核裂变反应是依靠什么机制瞬间自行停止的。
受此启发，他提出一个大胆的设想：水在反应堆中加热、沸腾，产生气泡后，作为慢化剂的水的数量（浓度）减少，中子的慢化效应降低，反应性将减小，功率也随之降低；反应性减小，裂变速度变缓，水的温度继而降低，过一会儿水也就不再沸腾了。水不沸腾，不产生气泡了，中子的慢化效应又增加了，反应性也将增加，水温继而升高，水再次沸腾。如此，循环往复。也就是说，不需要调节控制棒，而通过调节堆芯冷却剂的流量或状态，就可以调节反应堆的功率。在事故情况下，比如控制棒失控抽出或管道破裂，堆芯过热，水温瞬时升高乃至全部汽化，反应堆将因为慢化剂的丧失而自动停堆。
安特梅耶的理论，看起来不仅能够自圆其说，简直完美。不过，绝大部分物理学家，对此持怀疑态度。好在他的老板，阿贡国家实验室的主任津恩，支持他。
唯一的办法，就是设计一个真正的反应堆，进行实验验证了。
花式虐沸水试验堆是怎样一种体验
在津恩的大力支持下，安特梅耶在1953年获得了原子能委员会的合同，项目代号BORAX（Boiling Reactor Experiment），即沸水堆实验项目，调查论证沸水堆的概念是否可行。考虑到项目的风险，他们把反应堆建在沙漠腹地的国家反应堆试验站地盘上，项目的场址，紧挨着1号实验增殖堆（EBR- I），并共用了相关的辅助设施和运行人员。
整个BORAX项目，为期10年，一共建了5个反应堆，依次从BORAX-I到BORAX-V。1953年5月，简易的BORAX-I反应堆在沙漠里仓促建成。反应堆“坐”在一个直径10英尺、高4米的屏蔽桶里，地上地下各占一半，直接敞开在空气中，如同一个小型的游泳池一样。反应堆甚至没有厂房，因此只能在夏季抓紧进行实验，冬天太冷了，根本没法弄。
在BORAX-I上，安特梅耶和同事们进行了70多次苛刻的实验，模拟冷却管道破裂、阀门断开、控制棒错误操作等等恶劣条件。为此，当地的媒体报道，干脆称BORAX-I为“失控反应堆”。
实验中，屏蔽桶里的水，沸腾变成气泡，发出“嘶吼”声，巨大的压力将滚烫的水和蒸汽抛向空中，高达150英尺；接着，反应堆自己停下来，喷发逐渐变小，最后回归于平静。从附近的20或26公路上经过的游人，便经常能看到间歇喷泉一样的壮观景象。
研究小组变换着花样进行实验，尝试不同的燃料类型和各种古怪的“错误”，并逐步提高功率，来测试反应堆的响应。实验的结果，让安特梅耶自己都感到吃惊，反应堆运转非常“顺利”，完美地验证了原初的设想。
每一种模拟事故情况下，在燃料板变热导致熔化前，核裂变反应都自行停止；堆芯里的沸腾过程，可以足够快地抑制裂变速度的增长，冷却剂的沸腾，不会导致核链式反应不稳定。
一系列实验证明，沸水反应堆具有内在的固有安全性，也就是今天大家熟知的负反应性空泡系数，这种安全性本身就存在，不需要依靠外部的自动控制、机械作用、人为操作来达成。
安特梅耶仍不罢休。1954年7月22日，在BORAX-I上进行了最后一个实验，直接将反应堆摧毁了。通过远程操作，控制棒从堆芯完全抽出，堆桶里的水瞬间变成蒸汽，一股汽柱直冲上天。事后，在60米远的地方，都发现了炸裂的燃料碎片。
1954年底，研究小组在BORAX-I旁边新建了BORAX-II，继续进行实验，主要模拟将来一个沸水堆核电厂的各种真实运行工况，包括瞬态事故，直至破坏性实验。
BORAX-III的设计，原本没考虑过实际发电，建设的时候并没有安装汽轮发电机组。美苏的冷战对抗，蔓延至原子能民用领域。1954年秋天的时候，苏联就高调对外宣布，将在来年的第一届原子能和平利用国际会议上，介绍一个民用电力研究动力反应堆的情况。彼时，希平波特核电厂正在紧张的建造过程中，但由于核电厂反应堆脱胎于海军核潜艇，担心苏联在此问题上做文章，美国政府便决定另辟蹊径，临时找一个跟军用项目完全没有瓜葛的反应堆。
他们选中了BORAX-III，要求在反应堆速成一个发电系统。当时火电厂用的汽轮机，都是设计运行在过热蒸汽状态下，而BORAX-III出来的是饱和蒸汽。几经周折，承包商从新墨西哥州的一个木材厂里，找到了一套西屋公司设计制造于1925年的汽轮发电机组，紧急被运到爱达荷沙漠里。
1955年7月17日，经过几个昼夜的安装、调试后，BORAX-III向附近的阿科市（Arco）输电成功，成为世界上第一座向一整座城市供电的“核电厂”。阿贡国家实验室邀请了几个国际访问者现场见证了供电的过程，还拍了一部电影纪录片，在8月的原子能和平利用国际会议上播放。
商业化推广成功，沸水堆一时风光无二
基于BORAX项目的实验结果，阿贡国家实验室随后在位于伊利诺伊州的分部，设计、建造了一个沸水堆原型电厂，即实验沸水堆（EBWR）。反应堆从1956年开始运行，原设计热功率20MW，后来逐步提升功率至100MW，一直运行到1967年。
随着BORAX一系列实验的成功，通用电气（GE）公司看到了沸水堆的潜在商机，遂与爱达荷国家实验室合作，正式将沸水堆核电厂推向市场。很快，GE公司便与芝加哥的电力企业联邦爱迪生公司，签订了第一座商业化核电厂，也就是德累斯登（Dresden）核电厂反应堆的供应合同。不过，双方都比较谨慎，一致决定有必要先建造一座小型的示范电厂，以确保德累斯登项目的成功。
这个示范电厂，便是位于加利福尼亚州的瓦列西托斯（Vallecitos）沸水堆电厂。反应堆由安特梅耶担纲设计，采用富集铀燃料和不锈钢包壳的板型燃料元件方案，热功率20MW、电功率5MW， 1956年6月开建，一年后即建成发电，一直运行到1963年，成为原子能委员会颁发动力反应堆许可证的第一座核电厂。
在此基础上，德累斯登核电厂1号机组随后开建，并于1960年正式投入商运，一直运行到1978年。它和希平波特核电厂，以及英国的卡德霍尔石墨气冷堆核电厂等等，共同构成了我们今天常说的第一代反应堆核电厂。
作为压水堆的“同胞兄弟”，沸水堆系统比压水堆简单，运行压力低得多，因此在压力容器、管道、泵、阀等系统设备耐压方面的要求，也要低得多。由于省略了一个回路，以及取消了蒸汽发生器和稳压器，沸水堆核电厂整体的造价要低。
相比于压水堆，由于系统简单，以及更少的管道和焊缝等原因，理论上沸水堆发生管道破裂的几率要低得多，发生严重事故导致堆芯熔化的几率也要低得多。不过，沸水堆功率密度要低，同样功率的核电厂，沸水堆堆芯尺寸更大；而且，堆芯产生的带放射性的蒸汽，被直接引入蒸汽轮机，导致汽轮机厂房的辐射防护要复杂得多。
沸水堆的这些显著特点，坚定了GE公司大力推广沸水堆核电厂的信心，并在后来的世界核电市场竞争中，同样取得了不俗的业绩，成为占比仅次于压水堆的核电厂反应堆堆型。
不过，风光的背后，1960年代初发生的一起相当于BORAX-I极端实验再现的严重事故，给沸水堆的安全性敲响了警钟，也给后来反应堆安全控制的改进提供了镜鉴。
究竟为何事故，继续关注我们的<微言说历史>。
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：核电那些事
【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载