核能發電重水堆和輕水堆有何分別?

Question

兩者在成本，技術及運作費用上有何優劣？為何美國多用輕水堆而加拿大卻傾向重水堆？

Answer 1

既沒有朋友解決樓主的疑難，小弟只好自動請纓一下，看看能否解決樓主的疑惑。

其實所謂輕水堆和重水堆，只是核反應器內的中子減速劑（又稱緩和劑moderating material）分別使用輕水和重水。

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什麼是重水：

重水(或稱氘化水，化學式D2O或者2H2O)是水的一種，它的質量比一般水要重。普通的水(H2O)是由兩個只有質子的氫原子和一個氧16原子所組成，但在重水分子內的兩個氫同位素，比一般氫原子有各多一個中子，因此造成重水分子的質量比一般水要重。在自然界中，重水的含量很少。
由於普通水和重水都是由相同數量的氫和氧原子組成，兩者的化學反應皆會接近相同。但在物理上，重水的溶點和沸點比普通水稍高，在一個大氣壓力下，重水的溶點是攝氏3.82度，沸點是攝氏101.4度。

密度方面，在攝氏20度和一個大氣壓力的環境下，重水的密度是1.105g/cm3。由於重水比普通水不容易被電解為氫和氧，以及與普通水相比，其含量稀少的關係，人們便以電解的方式來提煉純度更高的重水。因此，重水的價格也比較昂貴。

有另一種重水稱為半重水，HDO，它只有一個氫原子是多一個中子的重氫。一般的半重水都並不純正，通常是50%HDO，25%的H2O 及 25%的D2O。

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緩和劑moderating material

緩和劑可以通過和中子之間的碰撞，把中子的速度減慢至和週遭環境份子的平均動能差不多．這種速度的中子，被鈾－２３５的核子捕捉而發生核裂變的機會會增大，而被鈾－２３８發生核裂變的機會則會減少。用使用緩助劑都稱為慢孳生反應器（Thermal (slow) reactors ）由於自然界鈾－２３８的成份遠比鈾－２３５多，因此現在的反應器設計都是慢孳生反應器。

輕水和重水都可以當緩和劑。除此以外，石墨也是緩和劑之一。

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輕水式反應器LWR，Light-Wter Reactor

進入正題，輕水式反應器就是以輕水當緩和劑．透過中子和水份子當中的氫原子碰撞而減低它的速度．可是輕水份子會吸收部分的中子，因此輕水式反應堆必須使用濃縮鈾，而不能使用普通鈾，否則將不能達到臨界質量（Critical Mass －既不能產生連鎖核裂反應）。

輕水式反應器又被稱為西方式(Western Style)反應器；現有大部份的商業運轉核能反應爐均為此型式。又分為兩類：
* 沸水式(Boiling Water Reactor)
* 壓水式(Pressurized Water Reactor)

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重水式反應器HWR，Heavy-Water Reactor

重水式反應器使用重水當緩和劑。重水反應堆不單可以使用普通鈾，而且會把鈾－238轉化成為可製作核彈的鈈。印度、巴基斯坦、以色列、北韓都是以這樣方法製造核燃料。因此為了防止核子武器擴散，重水的生產和出售在很多國家都受到限制。

重水反應器又分「重水氣冷式﹝HWGCR﹞」即氣體冷卻，「沸騰輕水式﹝HWLWR﹞」即重水緩和，一般水冷卻及「加壓重水式﹝PHWR﹞」

希望以上資料可以對樓主有幫助。

參考網址：
http://ihouse.hkedcity.net/~hm1203/eco-activities/energy-n-reactor.htm

http://zhidao.baidu.com/question/137462.html?si=2

http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power_plant（翻譯）

http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reactor（翻譯）

2007-03-31 17:07:39 補充：
補充1: 其實生產濃縮鈾和重水都各有困難和重大的成本重水生產: 半重水可以透過電解及蒸餾，或以化學方法從普通水中提煉出來。可以使用化學方法，是因為氫及普通氫原子由於質量稍為不同，所以化學反應的速度有異。當水中的半重水到了相當的濃度，重水便會因為水份子之間交換氫原子而慢慢出現。要從半重水再提煉純正的重水亦可使用電解、蒸餾及化學方法。但是電解及蒸餾所需要的能量會非常巨大，因此一般這一步只會使用化學方法。

2007-03-31 17:14:56 補充：
(用Girdler sulfide process，太複雜，有興趣可去此WEBSITE看，只有英文版： http://en.wikipedia.org/wiki/Girdler_sulfide_process）加拿大的重水式核發電站附設重水生產系統，提煉一噸的重水需要340,000噸普通的水。而那設備一年可提煉700噸重水。濃縮鈾提煉：生產濃縮鈾的技術相當複雜，工廠規模也非常龐大，生產成本很高，各國有關濃縮鈾的生產和技術問題均極為保密，到目前為止，國外的工業規模生產濃縮鈾都採用氣體擴散法，離心法正在向工業生產過渡，有的國家已確定採用這種方法。

2007-03-31 17:19:56 補充：
補充２：成本考慮重水的成本貴在生產之上，因提煉的收成率太低，設備反而不是那麼昂貴。濃縮鈾成本在設備之上，生產成本反而不是大問題。有些國家只有輕水式反應堆而沒有提煉濃縮鈾設備，就會受制於外來的供應，另外重水式反應堆可以生產核彈原料。所以很多發展中國家趨之若慕。補充３：加拿大的重水式反應堆不知為何樓主說加拿大主要使用重水式核電廠，其實她兩者也有用。最主要的重水式核電廠是Bruce 核能發電廠 (Tiverton, 安大略)。此核電廠使用重水模式主要是地理位置的考慮，因為她正在五大湖的旁邊，可以順道研究改良重水的提煉。希望以上補充有用啦。（如此難的問題，５分真是太少了）