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必須明確艦船反應(yīng)堆的總熱功率和軸功率的區(qū)別!

2019-01-20 23:52 作者:瀚海狼山  | 我要投稿



瀚海狼山認(rèn)為,現(xiàn)在網(wǎng)上大家都知道了小鷹級(jí)的馬力是28萬(wàn),因此看到有些民用水上核電站的多個(gè)機(jī)組的熱功率 加起來(lái)和28萬(wàn)馬力差不多,就認(rèn)為可以直接搬到未來(lái)的核動(dòng)力航母上,或者說(shuō)是為未來(lái)航母做先期驗(yàn)證。其實(shí)這些認(rèn)識(shí)往往似是而非。目前可見(jiàn)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(dòng)力破冰船的總功率,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到推動(dòng)10萬(wàn)噸以上級(jí)別航母的程度,這是因?yàn)榕炝朔磻?yīng)堆熱總功率和軸馬力的區(qū)別。

小鷹級(jí)的28萬(wàn)軸馬力,是指4個(gè)大軸螺旋槳可以對(duì)外做功,純粹用于推進(jìn)的功率,小鷹級(jí)一共4根大軸,等于每根軸的輸出功率是7萬(wàn)馬力。這個(gè)功率并不小,不要以為小鷹級(jí)是常規(guī)動(dòng)力,輸出功率就小,實(shí)際上這個(gè)28萬(wàn)馬力,比后來(lái)的核動(dòng)力的尼米茲號(hào)還大一點(diǎn)!

而所謂的反應(yīng)堆熱總功率,就艦船反應(yīng)堆能通過(guò)高壓蒸汽對(duì)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(guò)機(jī)電系統(tǒng),能轉(zhuǎn)換成推進(jìn)軸系,加載到推進(jìn)螺旋槳上的最大實(shí)用功率值。兩者的數(shù)值差異是很大的。一般軸功率只能達(dá)到熱功率的十幾個(gè)百分點(diǎn)就不錯(cuò)了。例如,美國(guó)俄亥俄級(jí)核潛艇的反應(yīng)堆是S8G、海狼級(jí)是S6W,這兩種堆的熱功率都是250兆瓦,也就是25萬(wàn)千瓦,但他們的最大軸輸出馬力,只有6萬(wàn)軸馬力。

10.5萬(wàn)噸的福特級(jí)核動(dòng)力航母用兩臺(tái)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(wàn)馬力!與小鷹級(jí)的軸輸出28萬(wàn)馬力差不多,乍看還不如海狼級(jí)的一臺(tái)S6W反應(yīng)堆的25萬(wàn)千瓦的熱功率大。但福特級(jí)兩臺(tái)A1B的實(shí)際熱功率總值是超過(guò)65萬(wàn)千瓦的!因此,用核潛艇的動(dòng)力包,強(qiáng)行推動(dòng)核動(dòng)力航母遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用。從熱功率到軸馬力的轉(zhuǎn)換率越高,說(shuō)明一國(guó)的機(jī)電整體水平越高。過(guò)去美國(guó)在這方面的水平領(lǐng)先很多,但某國(guó)新一代核潛艇的能量轉(zhuǎn)換率已經(jīng)趕上了美國(guó)的最新水平。

艦船核動(dòng)力包相對(duì)于陸地核電站,最大的特點(diǎn)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(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)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(jí)或福特級(jí),每臺(tái)反應(yīng)堆的熱功率在30萬(wàn)千瓦以上,裝入的核燃料總量不超過(guò)4噸。而俄亥俄級(jí)的S8W反應(yīng)堆,裝入的鈾235的總重只有140公斤!


俄亥俄級(jí)的單臺(tái)S8G 壓水堆裝置,采用美海軍標(biāo)準(zhǔn)壓水堆裝置熱線圖,一臺(tái)反應(yīng)堆,兩個(gè)動(dòng)力循環(huán)分系統(tǒng),每個(gè)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(jìn)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(zhǎng)壽命。 一回路系統(tǒng)壓力為16MPa,冷卻劑進(jìn)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(jiàn),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(gè)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(guò)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(jí)核動(dòng)力航母和海狼級(jí)核潛艇以后批次,美國(guó)海軍越來(lái)越強(qiáng)調(diào)用武器級(jí)鈾235作為艦船反應(yīng)堆的燃料!追求越來(lái)越長(zhǎng)的換料周期,提高出動(dòng)效率。核動(dòng)力航母和核潛艇換料都要“開(kāi)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(huì)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(jí)核潛艇,美國(guó)人已經(jīng)達(dá)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(jí)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(jí)到2038年也是必須換料。即使武器級(jí)鈾制成的燃料板不用換,反應(yīng)堆本身也很難有超過(guò)42年的安全壽命。


俄國(guó)和其他大國(guó)的核潛艇和其他核動(dòng)力船舶,所用的核燃料的豐度,基本都沒(méi)有達(dá)到武器級(jí)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(jí)鈾235能量密度高,壽命長(zhǎng),但提煉到如此高的濃度,鈾濃縮過(guò)程中消耗的電力也是驚人的。美國(guó)人用的起,是因?yàn)樽罱@些年,大量的美國(guó)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(lái)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(jiǎn)單,俄羅斯現(xiàn)在沒(méi)錢(qián),他拆出來(lái)的核武鈾塊,加入同位素雜質(zhì)后,99%出口用來(lái)?yè)Q外匯了!


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