核反应堆是核电站中最关键的设备，也是不同类型核电站的主要差别所在。1954年，前苏联建成世界第一座试验核电站奥勃灵斯克核电站。1957年，美国建成世界第一座商用压水堆核电站希平港核电站。经过半个多世纪的发展和筛选，已发展成商业规模并且不断有后续建造项目的核电反应堆主要有3种类型：压水堆、沸水堆和重水堆。压水堆和沸水堆源于1953年美国原创开发成功的核潜艇动力堆；而重水堆则主要是由加拿大原创开发的专门用于核能发电的压力管式重水反应堆，也叫CANDU（坎杜）堆。第一座示范CANDU堆于1962年建成并投入运行。CANDU机组大部分建在加拿大，近年来发展到韩国、阿根廷、罗马尼亚和中国等6个国家。我国大陆已建成和在建共有11台核电机组，其中秦山三期核电站的两台机组采用CANDU堆，其余都用压水堆。
CANDU堆的核燃料加工成简单短小的燃料棒束组件，每根燃料棒长约50厘米，外径约10厘米。堆芯由几百个水平的压力管式燃料通道组成，每个压力管内一般装有12个燃料棒束组件。高压冷却水从燃料棒束的缝隙间冲刷流过，不断把热量带出堆芯。冷却水加了很高的压力之后，温度可以保持较高而不发生沸腾。在燃料通道外侧的是低温低压的重水慢化剂，慢化剂与压力管内的高温高压冷却水是分隔开的。核裂变产生的热量从燃料棒传递到高压冷却水，冷却水又在蒸气发生器的U型管内把热量传递给管外的普通轻水，普通轻水沸腾所产生的高温高压蒸气去驱动汽轮发电机发电。目前的重水堆核电站所使用的冷却水是昂贵的重水，在新一代先进重水堆设计中，冷却水将采用轻水，而重水的用途只限于作慢化剂，因而绝大部分重水可以省掉。
CANDU堆由于它的燃料棒束组件简单短小，又加上反应堆堆芯是水平管道式的，所以在更换燃料的时候不需要停堆。更换核燃料时，两台机器人式的换料机分别与一个通道的两端对接，一台换料机从一端将燃料棒束一个个通过燃料通道，顺着冷却剂流动的方向推入堆芯；另一台换料机在另一端接收卸出的乏燃料棒束。换料可以在反应堆任何功率运行时进行，整个操作过程可在控制室通过计算机系统按预编程序遥控自动完成。不停堆换料带来的好处是多方面的，它不仅避免了因更换燃料而需要较长时间的强制性停堆，更重要的是它提供了一种强有力和灵活的燃料管理手段，也能及时把破损的燃料组件从堆内取出。
CANDU堆简单短小的燃料组件设计，意味着燃料制造厂投资小，易于国产化，燃料生产成本低，燃料和相关运行管理费较低。所有发展CANDU堆的国家，第一个机组建成后不久，很快都能实现燃料组件制造的本土化。中国包头核燃料元件厂的重水堆燃料组件生产线已建成投产，将为秦山三期重水堆核电站提供燃料。
CANDU堆具有高中子经济性的突出优点。这一方面是由于重水慢化剂对中子吸收很少，另一方面由于不停堆换料、简单的燃料组件设计和堆芯中含有较少对中子有害的结构材料也减少了中子的损失。高中子经济性意味着裂变所产生的中子浪费较少，大多数用于引发新的裂变或者转换产生新的易裂变核，从而可提高核燃料的利用率。这个优点使重水堆成为惟一可以利用天然铀作燃料的商用核电反应堆。除了天然铀以外，重水堆也可以高效利用其他多种核燃料，包括低浓铀、铀钚混合燃料、压水堆乏燃料、铀或钚驱动的钍燃料等。另外，由于特殊的堆芯结构和反应堆物理特点，CANDU堆在发电的同时还可以用来生产用途广泛的钴—60等同位素。
除了反应堆本体之外，重水堆核电站与压水堆核电站很相似，所以，多年来在发展压水堆核电站过程中所建立起来的技术基础和制造能力，同样可以用于发展重水堆核电站。而且，重水堆避免了制造技术较复杂的庞大压力容器，代之以制造相对容易的压力管。
为了满足未来电力市场的需要，融合轻水堆和重水堆优点的新一代核电反应堆设计已经出现。比如，加拿大原子能公司将在2005年底推向市场的先进设计ACR，可望在单位造价上比目前这一代设计降低40％以上，建造时间可以减少到36个月。该设计一方面保留了重水慢化堆的传统特点和优势；另一方面像轻水堆一样采用低浓铀燃料和轻水冷却剂。通过堆芯设计的重新优化，不仅可显著改善安全特性和缩小堆芯尺寸，同时为相关系统的简化或优化创造了条件。新一代改进型设计，通过大幅度降低单位造价和发电成本，将从根本上提高核电相对于火电的经济竞争能力，为核电更大规模的发展创造有利条件。
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