核动力航母驮着原子弹到处跑,万一爆炸怎么办?解密舰船反应堆

  作者:瀚海狼山

  随着中船重工提到研发国产核动力航母,立即在军迷中掀起了讨论核动力的热潮。但对于航母和潜艇核动力的一些基本常识,一知半解甚至完全不了解的占了很大一部分,很有必要对一些常识性的知识,进行通俗化说明:

  1,压水堆是怎么回事?

  舰船的核动力,无论是水面的核动力航母、核动力巡洋舰、核动力破冰船,还是水下的核潜艇,过去和现在,都是采取反应堆——高压蒸汽循环系统——汽轮机——发电机或变速齿轮系统——大轴——螺旋桨来完成推进。

  高压蒸汽冷却循环体系,是现在所有舰船核反应堆的能量输出方式。因此所有的核舰船,无论水上还是水下,都是采用压水堆。所谓的压水,就是高压轻水,也就是高压普通纯净水。水的比热很高,可以吸收和释放大量热能。普通水在常温一个大气压下,100摄氏度就沸腾了,但在150个大气压下,水加热到200多摄氏度都不会沸腾。高压水可以从反应堆内循环输出大量的能量。一旦减压,就会变成能量极大的蒸汽,来推动汽轮机旋转做功或者发电。

  目前陆地上试验成功的所谓“高温气冷堆”或其他先进堆型,都还无法上舰。因此网上说什么清华早就突破了气冷堆,可以直接上舰,世界领先之类,都是没常识的乱讲。压水堆仍然是所有核动力船舶的唯一选择。

  同样是产生高压蒸汽,航母核动力系统一般产生“过热蒸汽”,而核潜艇上一般是“饱和蒸汽”,前者的热能转换效率更高,而后者热效率更低,但设备体积更小,这是核潜艇内部空间限制所必须。

  2,核能量怎么转化为舰船动力?

  当今的核动力航母,通过蒸汽轮机产生机械能,再经过齿轮箱减速后,带动大轴旋转推进;老式的核潜艇高速前进时,也是这么工作的;核潜艇在低速静音状态,可以切换成电池组的电力驱动电机带动大轴工作,这样噪音较低。

  今后所谓的“全电推进”,就是航母和核潜艇,都采用全程汽轮机只用来发电,发出的电随时对电池组充电,或直接通过电缆驱动电动机转动前进轴或者泵推轴,不再有变速齿轮系统,输出机械做功,甚至大轴也可不要了。这样能量转换效率更高,噪音更小。全电推进,新一代核潜艇比水面舰艇,更早地实现。

  3,有多少比例的核子能可以转化为轴动力?

  必须明确舰船反应堆的总热功率和轴功率两者的区别,否则会闹笑话。

  所谓的热总功率,就是舰船反应堆能通过高压蒸汽对外输出的总功率值;而轴功率,是指反应堆输出的蒸汽热能,通过机电系统,能转换成推进轴系,加载到推进螺旋桨上的最大实用功率值。两者的数值差异是很大的,一般轴功率只能达到热功率的十几个百分点就不错了。

  例如,美国俄亥俄级核潜艇的反应堆是S8G、海狼级是S6W,这两种堆的热功率都是250兆瓦,也就是25万千瓦,但他们的最大轴输出马力,只有6万轴马力。

  11万吨的福特级核动力航母用两台A1B新型反应堆,转换出的最大轴输出功率只有不到30万马力!而小鹰级的轴输出马力只有28万马力,辽宁舰的轴功率也在25万马力以上,乍看还不如海狼级的一台S6W反应堆的25万千瓦的热功率大。

  但福特级两台A1B的实际热功率总值是超过65万千瓦的,因此,用核潜艇的动力包,强行推动核动力航母远远不够用。

  从热功率到轴马力的转换率越高,说明一国的机电整体水平越高。过去美国在这方面的水平超越苏俄和中英法,但我新一代核潜艇的能量转换率已经赶上了美国的最新水平。

  4,航母上的反应堆占多大体积?

  舰船核动力包相对于陆地核电站,最大的特点就是总体积大大压缩,核潜艇的反应堆尤其小巧玲珑,但相同体积的能量密度却比陆地核电站大得多,所用的核燃料的丰度也高的多。

  一个百万千瓦级的陆地反应堆,核燃料棒总重在一两百吨,核燃料棒铀235的浓度只有3%到10%。尼米兹级或福特级,每台反应堆的热功率在30万千瓦以上,装入的核燃料总量不超过4吨。而俄亥俄级的S8W反应堆,装入的铀235的总重只有140公斤!

  俄亥俄级的单台S8G 压水堆装置,采用美海军标准压水堆装置热线图,一台反应堆,两个动力循环分系统,每个分系统中包含一、二回路支回路,共用减速齿轮箱,单轴,推进一部七叶大侧斜螺旋桨。

  一回路系统 S8G 自然循环压水堆,热功率250MW,堆芯直径1.6m,高度1.7m,燃料元件约60 盒。采用板状元件,铀锆合金燃料,铀 235 富集度为 40%,包壳材料为锆-4 合金,铀235 燃料初始装载量约为140kg。堆芯功率密度为80MW/m3。反应堆采用铪控制棒,用于控制后备反应性,使堆芯具有长寿命。一回路系统压力为16MPa,冷却剂进入反应堆入口温度280℃,出口320℃,冷却剂流量约 3600t/h,主循环泵功率 169kW。

  由上可见,庞大的俄亥俄战略核潜艇,其反应堆核心部分,只是一个不到一人高的“金属罐”而已,其他核潜艇的反应堆也差不多这么大。这类反应堆用的都是“铀锆合金燃料板”,通过特殊工艺让高浓度铀渗透到金属锆合金中去,作为反应堆燃烧材料。而不是民用核电站那种二氧化铀陶瓷块。能量密度成百倍的提高。

  5,核航母不用换燃料?

  从尼米兹级核动力航母和海狼级核潜艇以后批次,美海军越来越强调用武器级铀235作为舰船反应堆的燃料,追求越来越长的换料周期,提高出动效率。核动力航母和核潜艇换料都要“开膛破肚”,航母一次换料就需要三年;而核潜艇一旦换料,就必须破坏耐压壳,会让核潜艇的安全系数大大降低,因此到了最新的弗吉尼亚级核潜艇,美国人已经达到了核燃料——反应堆壳体——艇体的寿命都是35年,潜艇全寿命期内都不用换料了。

  而尼米兹级航母的船体寿命是50年,使用20多年后,仍然必须换一次料,把反应堆和燃料板一起换掉。现在传说福特级的反应堆可以直接使用50年,一生都不用换料?这是以讹传讹!实际上福特级到2038年也是必须换料的,美海军内部说得很清楚。

  即使武器级铀制成的燃料板不用换,反应堆本身也很难有超过40年的安全寿命。弗吉尼亚级能做到30多年全不换,已经是逆天的高技术了。

  6,核弹头的原料可以拆解装到航母上去吗?

  俄国和其他大国的核潜艇和其他核动力船舶,所用的核燃料的丰度,基本都没有达到武器级铀燃料的浓度,仍然普遍采用20%到40%的核燃料,其中原因复杂:用武器级铀235能量密度高,寿命长,但提炼到如此高的浓度,铀浓缩过程中消耗的电力也是惊人的。美国人用得起,是因为美国人有钱。特别是最近这些年,他们大量的核弹头到了服役寿命被拆解,可以直接取出内部的超高浓缩铀用来生产燃料板。

  那么俄罗斯有更多的核弹头同样拆解了,俄罗斯人为何不直接用呢?很简单,俄罗斯现在没钱,他拆出来的核武铀块,居然99%出口美国用来换外汇了!

  7,核动力航母驮着原子弹到处跑,万一爆炸怎么办?

  核动力航母和核潜艇堆芯都用武器级铀燃料,是否等于天天扛着个超大原子弹到处跑?会不会突然像原子弹一样爆炸?

  这种危险的概率可以近乎零。原子弹的核心是两个近乎纯铀组成的金属半球或者金属环,引爆前还要用高能炸药极度压缩体积,才能超临界爆炸。

  舰船核反应堆虽然名义上用的是武器级铀,但实际上前面已经讲过,这些高浓度铀金属,已经通过特殊工艺渗透进了锆合金中,制成像饼干一样的一片片燃料板,体积密度已经大大分散,而且反应堆中还有大量的冷却剂和减速金属,出现超临界状态几乎没有可能,更不会出现快中子瞬间集中链式反应,就没有核爆炸的危险。