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中国航母核动力弯道超车得靠它:美俄潜艇尝试均失败

By 卡多佐 •  2017-12-07 19:03 •  6次点击 短消息

声明:除《踢馆》外,讲武堂所刊登文章均为授权转载,目的是提供多样化看问题的视角,不代表堂主完全认同文章观点


国内现在有很强的呼声,要实现航母的核动力化


在针对潜艇、航母这类船舶的动力反应堆来说,目前真正比较有可能对压水堆形成威胁的方向、在历史上也曾挑战过压水堆的类型,只有液态金属堆。


美国早期装在核潜艇上的金属堆,在同时代压水堆只有17%热效率时,它就能达到22%——这意味着30%的性能提升。在相同的时代,金属堆能提供压水堆超出一代以上的性能水平。


美国SSN 575海狼号潜艇,曾搭载液态金属堆


金属堆在基本的结构原理上其实和压水堆是一致的。


压水堆中,核燃料加热一回路的水加热到280-350度左右;而在一、二回路的热交换器中,二回路的水被一回路传递来的巨大热量,加热成温度和压力都低于一回路的蒸汽,再去推动蒸汽轮机高速旋转,从而带动发电机和螺旋桨(经过减速机构)。


压水堆最大的问题,就是实现一回路的高温,需要保持在每平方厘米112-163公斤的高压状态下,而且水温也没法再高了——374度后水无法保持液态。而金属堆的最大优势,就是只需要低得多的压力,就能实现远超一回路的温度。


略去增殖反应之类的考虑,金属堆大致上相当于压水堆把一回路的冷却剂,从水改成了低熔点的金属。


压水堆结构


这些金属虽然熔点低,但是沸点却很高——达到800-900度,远非水的100度可比。因此只需要每平方厘米50-70公斤的压力,就能实现一回路出口550度的高温;理论上最高,可以达到800度以上。


由于温度和密度上的优势,每一立方米液态金属能携带的热量,远远超出一立方米经过加压的水。因此相同条件下;液态金属堆在二回路中,生成的蒸汽压力和温度能大大的优于压水堆。由于蕴含了高的多的能量,因此金属堆推动汽轮机的力量也特别大。


水银是最常见液态金属,但沸点太低,只有三百多度


在这种一回路高温/低压设计思想下提出的技术路径,除了液态金属堆以外,还有熔盐反应堆——冷却剂甚至核燃料本身都是熔融状态的盐类物质,不过这类反应堆的技术现在远比液态金属堆更不成熟。


美苏早期的金属堆全部宣告失败——故障频发,事故不断,而且价格太过于昂贵。这其中涉及到大量的问题,最关键的还在于液态金属的两个麻烦特性:


液态金属低温下会凝固,这对反应堆的停堆管理造成了巨大的麻烦和成本。对管道和阀门有很强的腐蚀(金属之间相互溶解,以及产生化学反应生成化合物)作用,导致各种故障和事故不断。


虽然问题重重,但是液态金属堆这个技术方向并没有死亡——它的性能优势太明显了,而且高功率密度、单堆可以实现大功率的特性;使得它极其适合用在潜艇、军舰上做为动力。因此在先进反应堆型的探索中,液态金属堆仍然是最被重视的主要突破口之一。


俄罗斯BN600液态金属反应堆模型,用的是钠


比如就目前来说,使用铅铋合金为冷却剂,就是四代反应堆最重要的方向之一。液态金属的腐蚀作用,可以通过材料和工艺问题解决——比如在金属管道内部加设隔离层。


而如何处理液态金属的凝固问题,目前也提出了多种方案:比如其中一种是二级熔融启动,通过增设启动级,先进行部分链式核反应放热,对液态金属进行加温,直到使其全部熔融。


而毫无疑问,新一代的金属堆目前还存在大量的技术问题,要上潜艇或者航母依然遥遥无期,核心技术和工程难关的突破时间依然不可预知。这也是笔者此前在文章中提到,可预见的未来内,压水堆仍然是军舰唯一可选的核动力形式的原因。


可预见未来还得靠压水堆,更往后得靠金属堆


但是从人类现在已经发展出来的反应堆基本结构类型来看,未来能大幅度突破压水堆性能极限、实现小体积、大功率的动力堆构型;只有金属堆是最有可能、最适宜的。


在船舶动力堆的发展上,美苏在在技术条件不成熟的情况下提前应用液态金属堆,走了很大的弯路。中国核潜艇和核航母(如果要搞)在远期的未来,动力上能否成功弯道超车,恐怕关键还得落在是否能先于美、法、俄三国,完成新一代先进液态金属堆的实用化。


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