(福特號核動力航母)
根據媒體報道,我國完全自主知識產權的小型核反應堆"玲瓏一號"去年已經在海南昌江正式投入運營,如今狀態良好。而在最近剛剛舉行的第16屆中國核工業設備展上,"玲瓏一號"再次引發了人們的關注。因為在我國穩步推進的海軍建設計劃中,核動力航母是其中重要的一環,而"玲瓏一號"這樣的小型核反應堆在功率、體積方面和美國同類產品具備很高的相似度,有人據此認為,"玲瓏一號"具備上艦搭載,成為海軍核動力航母"心臟"的可能性,不過筆者認為,這種觀點實在是高估了"玲瓏一號"的性能。
就目前的人類技術而言,核反應堆從體積功率上説,還並不適合陸軍和空軍,所以核動力裝置目前主要軍方用户是海軍。而軍用核動力裝置主要分為水面動力和水下動力兩種,這兩種動力裝置的要求差異較大,如果相互替換,會出現很大問題。
(人類第一艘,鸚鵡螺號核動力潛艇)
人類最早使用的核動力系統是潛艇用核反應堆,1954年下水的美國海軍"鸚鵡螺"號核潛艇是人類歷史上第一艘核潛艇,也是第一艘使用核動力的艦艇。隨後在研製核動力水面艦艇時,美國曾經嘗試過把潛艇核反應堆直接裝在航母上,但是結論卻是,由於核潛艇更多地強調靜音效果而不是高速航行效果,所以美國第一代核動力航母由於直接安裝潛艇核反應堆,直接導致航母設計功率不足,為此美國海軍第一艘核動力航母"企業"號不得不安裝了足足8台A2W型核反應堆!
(企業號)
而且由於A2W型核反應堆使用的核燃料濃度只有大約6?所以企業號航母平均每隔5年就要入塢大修,更換核燃料,而更換一次核燃料就要一兩年的時間。所以在其整個服役期內,企業號大約有近四分之一的時間呆在船塢裏更換核燃料。
(人類歷史上第一支"全核艦隊",圖中的航母就是美國海軍第一艘核動力航母——企業號,它安裝了足足8台核反應堆)
有趣的是,法國海軍也犯過同樣的錯誤,直接把凱旋級核潛艇的K-15型核反應堆裝在戴高樂號航母上,當時最初是計劃安裝4台同型號核反應堆,但是由於預算緊張,不得不砍掉了一台,所以最終戴高樂號航母只安裝了3台K-15核反應堆,這導致該艦最大航速只有可憐的27節(實際只跑出25節),是全球航母中航速最慢的,不僅如此,戴高樂號也有和企業號一樣的毛病,平均4~5年就得更換核燃料,所以從服役至今,戴高樂號沒有太多時間在海上執勤。
(儘管法國海軍是全球第二個擁有核動力航母的海軍,但是法國海軍對於戴高樂號航母的性能實在是很無奈……)
由於核動力航母主要在水面航行,而且航母自身的噸位相對較大,對於艦載核動力裝置的體積重量要求比潛艇要寬鬆許多,但是對於功率密集度要求要高出許多,特別是對核反應堆的最大輸出功率要求非常高。如果核反應堆功率不足的話,不但無法提升海軍航母戰鬥力,反而會拖累整個艦隊的作戰節奏,變相削弱航母戰鬥羣的戰鬥力。
(航母核反應堆的基本模塊結構)
"玲瓏一號"正式的名稱叫ACP-100小型核反應堆。玲瓏一號作為一種小型核反應堆,非常便於為偏遠地區、工業中心或者人口密集區域提供區域供電、供熱、供暖等用途。其設計高度不超過14米,寬度僅10米左右,尺寸上也能夠裝備艦船,作為動力裝置。
而且"玲瓏一號"核動力裝置的輸出功率極大,這是其重要優勢。根據公開的報道,玲瓏一號的最大功率輸出為28萬馬力,只有美軍最新的福特級航母的總輸出功率可以和玲瓏一號相提並論,而我國現役的遼寧號航母,其動力裝置的輸出功率為20萬馬力,美軍現役的尼米茲級航母,其動力裝置總輸出功率為26萬馬力。
(玲瓏一號核反應堆的基本結構外形,不難看出,這是一種一體化核反應堆)
儘管玲瓏一號小型核電機組的尺寸體積和功率都滿足上艦的需要,但是這種核反應堆終究是民用產品,所以存在一個致命的缺陷,該核反應堆的核燃料"丰度"只有3?遠遠不足以支持上艦需要。這裏所謂核燃料的"丰度"就是指核燃料中核物質的濃度。核燃料之所以能夠持續燒開水,產生高壓蒸汽以推動汽輪機發電,核心的原因是因為核燃料中有核物質,這些核物質在不斷的衰變中會釋放出能量,這種能量以熱量形式發散進而燒水做功。
(A4W核反應堆)
而核燃料的"丰度"越高,其發生核反應時釋放的熱量就越大,同時持續時間也越長。國際上對於武器級核材料和一般民用核材料的"丰度"都有明確的規定,通常認為丰度在20?下的核材料可作為民用核材料使用,也就是民用核電站等設施所使用的核燃料的水平,超過這個水平就進入軍用核材料的範疇。
(美國A4W核反應堆的基本原理和結構)
美軍尼米茲級航母所使用的A4W型核反應堆所使用的核燃料丰度高達60?因此該艦在服役期間,平均15~20年才需要更換一次燃料,而法國的戴高樂號航母,由於其裝備的K-15核反應堆使用的核燃料丰度只有約20?右,所以導致該艦平均4~5年就要更換核燃料。而"玲瓏一號"核反應堆的核燃料丰度只有3?這意味着"玲瓏一號"核反應堆雖然體系小、功率大,但是正常條件下2年就得更換燃料!
這種高頻度更換核燃料的做法,在民用核電領域不是問題,但是用在航母上則是完全不可能接受的缺陷。因為核反應堆更換燃料,對航母必須"開膛破肚",把核反應堆取出來,在專門的設施中,更換完畢燃料後,再把核反應堆裝回去,再把航母一層一層修復起來。整個過程平均需要1~2年時間,如果航母每2年就更換一次燃料,每次歷時1年,這是任何海軍都無法接受的。
(我們也需要這樣的核反應堆)
從玲瓏一號成功投入使用來看,我國的民用核電小型化技術已經趨於成熟,但是民用和軍用之間的差距依然巨大,要想研製成功並且列裝成熟的軍用小型核電裝置,還需要付出非常艱苦的努力。在核反應堆外形尺寸和玲瓏一號大致相當的情況下,要把反應堆更換燃料的時間從現在2年提升到10年,最好20年,這樣的小型核反應堆才有上艦的條件和意義。而使用高丰度核燃料,意味着核反應堆的設計和運行難度更大,但是如果中國需要發展核動力航空母艦,這一瓶頸就必須突破。