(福特号核动力航空母舰)
据媒体报道,我国完全自主知识产权的小型核反应堆“玲珑一号”于去年在海南昌江正式投入运行,目前状况良好。在前不久举办的第十六届中国核工业装备展览会上,“玲珑一号”再次吸引了人们的目光。因为核动力航母是我国稳步推进的海军建设计划的重要组成部分,而“玲珑一号”等小型核反应堆在功率和尺寸上与美国同类产品具有高度相似性相信“玲珑一号”有可能上舰,成为海军核动力航母的“心脏”。不过,笔者认为,这种看法是对“玲珑一号”的表现高估了。
就目前的人类技术而言,核反应堆在体积功率方面并不适合陆军和空军,因此核电站的主要军事用户是海军。军用核电站主要分为水面发电和水下发电两种。这两个电厂的要求是完全不同的。如果相互替换,问题就大了。
(第一艘人类飞船,鹦鹉螺号核动力潜艇)
人类最早使用的核动力系统是用于潜艇的核反应堆。 1954年下水的美国海军“鹦鹉螺”号核潜艇是人类历史上第一艘核潜艇,也是第一艘使用核动力的舰艇。后来我国核动力航母反应堆,美国在研制核动力水面舰艇时,曾尝试将潜艇核反应堆直接安装在航母上,但得出的结论是,由于核潜艇更强调静音效果而不是高速航行效果,因此第一代美国的核动力航母是由于直接安装潜艇核反应堆直接导致航母设计动力不足。为此,美国海军第一艘核动力航母“企业”号不得不安装足足8座A2W核反应堆!
(企业 ID)
而且由于A2W核反应堆所用核燃料的浓度只有6%左右,企业号航空母舰平均每5年就需要进行一次对接和大修更换核燃料,而更换核燃料需要一两年的时间。更换核燃料。因此,在其整个使用寿命期间,企业号大约有四分之一的时间在码头用于更换核燃料。
(人类历史上第一个“全核舰队”,图中的航母是美国海军第一艘核动力航母企业号,它已经安装了8个核反应堆)
有趣的是,法国海军也犯了同样的错误,将凯旋级核潜艇的K-15核反应堆直接安装在戴高乐号航空母舰上。当时原计划安装4座同型核反应堆,但由于预算紧张,不得不砍掉1座,所以最终只在查尔斯德号上安装了3座K-15核反应堆。戴高乐航空母舰,导致该舰的最高航速只有可怜的27节(实际上只有25节),是世界航母中航速最慢的。不仅如此,戴高乐也有与企业号相同的问题。平均而言,核燃料必须每 4 到 5 年更换一次。因此,自服役以来,戴高乐号并没有多少时间在海上执勤。
(虽然法国海军是世界上第二个拥有核动力航母的海军,但对于戴高乐航母的性能,法国海军实在是束手无策……)
由于核动力航母主要在水面航行,而航母本身吨位比较大,所以舰载核电站的体积和重量要求比潜艇要宽松很多,但是功率密度要求要高得多,尤其是核反应堆的最大输出功率要求非常高。如果核反应堆功率不足,不仅不能提高海军航母的战斗力,反而会拖累整个舰队的战斗节奏,变相削弱航母战斗群的战斗力.
(航母核反应堆基本模块结构)
玲珑一号的正式名称是ACP-100小型核反应堆。作为小型核反应堆,玲珑一号非常方便为偏远地区、工业中心或人口密集地区提供区域供电、供暖、供暖等用途。它的设计高度不超过14米,宽度只有10米左右。尺寸上也可以装船作为动力装置。
而且“玲珑一号”核电站的输出功率极大,这是它的重要优势。据公开报道,玲珑一号的最大功率输出为28万马力。只有美军最新的福特级航母总输出功率可以与玲珑一号相提并论,而目前在中国服役的辽宁号航母的输出功率为20万马力,尼米兹级航母在美军现役总输出功率26万马力。
(玲珑一号核反应堆的基本结构和形状,不难看出这是一个综合核反应堆)
虽然玲珑一号小型核电机组的体积、体积和功率都满足了舰船的需要,但这个核反应堆毕竟是民用产品,所以有一个致命的缺陷。这个核反应堆的核燃料“丰度”只有3%,远远不足以支撑舰艇的需求。这里所谓的核燃料“丰度”是指核燃料中核物质的浓度。核燃料之所以能不断将水烧开,产生高压蒸汽驱动汽轮机发电,其核心原因在于核燃料中含有核物质。这些核物质会在不断的衰变中释放能量,而这种能量以热量的形式消散我国核动力航母反应堆,然后使水沸腾。演戏。
(A4W核反应堆)
核燃料的“丰度”越高,核反应释放的热量越大,持续时间越长。国际上对武器级核材料和一般民用核材料的“丰度”都有明确的规定。一般认为,丰度低于20%的核材料可用作民用核材料,即民用核电站等设施。如果核燃料的水平超过这个水平,就会进入军用核材料的范畴。
(美国A4W核反应堆的基本原理和结构)
美国尼米兹级航母使用的A4W核反应堆的核燃料丰度高达60%。因此,该舰在服役期间每15至20年只需要更换一次,而法国航母戴高乐号,由于其配备的K-15核反应堆的核燃料丰度仅为20%左右,该船的核燃料平均每4到5年需要更换一次。 “玲珑一号”核反应堆的核燃料丰度仅为3%,这意味着“玲珑一号”核反应堆虽然体积小、功率大,但在2年内必须更换燃料。正常情况!
这种核燃料的高频替代在民用核电领域不是问题,但用在航母上却是完全不能接受的缺陷。因为核反应堆换了燃料,所以航母必须“打开”,核反应堆必须取出,而在特殊的设施中,燃料换完后,核反应堆会被放回,飞行器载体将逐层修复。整个过程平均需要1到2年。如果航母每2年更换一次燃料,每次就需要1年时间,这对任何海军来说都是无法接受的。
(我们也需要这样的核反应堆)
从玲珑一号的成功使用来看,我国民用核电小型化技术已经成熟,但民用与军用差距仍然巨大。要想成功研制和安装一个成熟的军用小型核电站,也需要非常艰苦的工作。在核反应堆规模与玲珑一号大致相同的情况下,需要将反应堆燃料更换时间从现在的2年提高到10年,最好是20年,这样这么小的核反应堆具备上舰的条件和意义。使用高丰度核燃料意味着核反应堆的设计和运行难度更大,但如果中国要发展核动力航母,就必须打破这个瓶颈。