必須明確艦船反應(yīng)堆的總熱功率和軸功率的區(qū)別!
瀚海狼山認為,現(xiàn)在網(wǎng)上大家都知道了小鷹級的馬力是28萬,因此看到有些民用水上核電站的多個機組的熱功率加起來和28萬馬力差不多,就認為可以直接搬到未來的核動力航母上,或者說是為未來航母做先期驗證。其實這些認識往往似是而非。目前可見的一些民用水上核電站的總功率,甚至是一些規(guī)劃中的核動力破冰船的總功率,遠遠達不到推動10萬噸以上級別航母的程度,這是因為弄混了反應(yīng)堆熱總功率和軸馬力的區(qū)別。 小鷹級的28萬軸馬力,是指4個大軸螺旋槳可以對外做功,純粹用于推進的功率,小鷹級一共4根大軸,等于每根軸的輸出功率是7萬馬力。這個功率并不小,不要以為小鷹級是常規(guī)動力,輸出功率就小,實際上這個28萬馬力,比后來的核動力的尼米茲號還大一點! 而所謂的反應(yīng)堆熱總功率,就艦船反應(yīng)堆能通過高壓蒸汽對外輸出的總功率值。 純粹軸功率,是指反應(yīng)堆輸出的蒸汽熱能,通過機電系統(tǒng),能轉(zhuǎn)換成推進軸系,加載到推進螺旋槳上的最大實用功率值。兩者的數(shù)值差異是很大的。一般軸功率只能達到熱功率的十幾個百分點就不錯了。例如,美國俄亥俄級核潛艇的反應(yīng)堆是S8G、海狼級是S6W,這兩種堆的熱功率都是250兆瓦,也就是25萬千瓦,但他們的最大軸輸出馬力,只有6萬軸馬力。 10.5萬噸的福特級核動力航母用兩臺A1B新型反應(yīng)堆,轉(zhuǎn)換出的最大軸輸出功率只有不到30萬馬力!與小鷹級的軸輸出28萬馬力差不多,乍看還不如海狼級的一臺S6W反應(yīng)堆的25萬千瓦的熱功率大。但福特級兩臺A1B的實際熱功率總值是超過65萬千瓦的!因此,用核潛艇的動力包,強行推動核動力航母遠遠不夠用。從熱功率到軸馬力的轉(zhuǎn)換率越高,說明一國的機電整體水平越高。過去美國在這方面的水平領(lǐng)先很多,但某國新一代核潛艇的能量轉(zhuǎn)換率已經(jīng)趕上了美國的最新水平。 艦船核動力包相對于陸地核電站,最大的特點就是總體積大大壓縮,核潛艇的反應(yīng)堆尤其小巧玲瓏,但相同體積的能量密度卻比陸地核電站大的多,所用的核燃料的豐度也高的多!一個百萬千瓦級的陸地反應(yīng)堆,核燃料棒總重在一兩百噸,核燃料棒鈾235的濃度只有3%到10%。尼米茲級或福特級,每臺反應(yīng)堆的熱功率在30萬千瓦以上,裝入的核燃料總量不超過4噸。而俄亥俄級的S8W反應(yīng)堆,裝入的鈾235的總重只有140公斤! 俄亥俄級的單臺S8G 壓水堆裝置,采用美海軍標準壓水堆裝置熱線圖,一臺反應(yīng)堆,兩個動力循環(huán)分系統(tǒng),每個分系統(tǒng)中包含一、二回路支回路,共用減速齒輪箱,單軸,推進一部七葉大側(cè)斜螺旋槳。 一回路系統(tǒng) S8G 自然循環(huán)壓水堆,熱功率250MW,堆芯直徑1.6m,高度1.7m,燃料元件約 60 盒。采用板狀元件,鈾鋯合金燃料,鈾 235 富集度為 40%,包殼材料為鋯-4 合金,鈾235 燃料初始裝載量約為140kg。堆芯功率密度為80MW/m3。反應(yīng)堆采用鉿控制棒,用于控制后備反應(yīng)性,使堆芯具有長壽命。 一回路系統(tǒng)壓力為16MPa,冷卻劑進入反應(yīng)堆入口溫度280℃,出口320℃,冷卻劑流量約 3600t/h,主循環(huán)泵功率 169kW。 由上可見,龐大的俄亥俄戰(zhàn)略核潛艇,他的反應(yīng)堆核心部分,只是一個不到一人高的 “金屬罐”而已,其他核潛艇的反應(yīng)堆也差不多這么大!這類反應(yīng)堆用的都是“鈾鋯合金燃料板”,通過特殊工藝讓高濃度鈾滲透到金屬鋯合金中去,作為反應(yīng)堆燃燒材料。而不是民用核電站那種二氧化鈾陶瓷塊。能量密度成百倍的提高。 從尼米茲級核動力航母和海狼級核潛艇以后批次,美國海軍越來越強調(diào)用武器級鈾235作為艦船反應(yīng)堆的燃料!追求越來越長的換料周期,提高出動效率。核動力航母和核潛艇換料都要“開膛破肚”,航母一次換料就需要三年;而核潛艇一旦換料,就必須破壞耐壓殼,會讓核潛艇的安全系數(shù)大大降低,因此到了最新的弗吉尼亞級核潛艇,美國人已經(jīng)達到了核燃料——反應(yīng)堆殼體——艇體的壽命都是35年,最近提高到了42年,潛艇全壽命期內(nèi)都不用換料了。 而尼米茲級航母的船體壽命是50年,使用20多年后,仍然必須換一次料,把反應(yīng)堆和燃料板一起換掉。福特級到2038年也是必須換料。即使武器級鈾制成的燃料板不用換,反應(yīng)堆本身也很難有超過42年的安全壽命。
俄國和其他大國的核潛艇和其他核動力船舶,所用的核燃料的豐度,基本都沒有達到武器級鈾燃料的濃度,仍然普遍采用20%到40%的核燃料,這其中原因復(fù)雜:用武器級鈾235能量密度高,壽命長,但提煉到如此高的濃度,鈾濃縮過程中消耗的電力也是驚人的。美國人用的起,是因為最近這些年,大量的美國核彈頭到了服役壽命被拆解,可以直接取出內(nèi)部的超高濃縮鈾用來生產(chǎn)燃料板。 那么俄羅斯有更多的核彈頭同樣拆解了,俄羅斯人為何不直接用呢?很簡單,俄羅斯現(xiàn)在沒錢,他拆出來的核武鈾塊,加入同位素雜質(zhì)后,99%出口用來換外匯了! |