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一個曾經的美麗傳說:中國核潛艇的高溫氣冷反應堆

曾幾何時,流行著我國核潛艇裝備一種高溫氣冷反應堆的傳聞,它可以使核潛艇的水下最高航速達到45節(83公里/小時),45節什麼概念,這個速度已經超過了大部分的魚雷。

世界最快的核潛艇是蘇聯的阿爾法級,最大航速也只有40節,它用的是2座液態金屬鉛鉍合金反應堆。這種反應堆用鉛鉍合金冷卻,雖然功率很大,卻容易發生反應堆凝固、失控、啟動後不能停堆等問題。而高溫氣冷堆的可靠性遠遠超過了液態金屬鉛鉍反應堆。

一個曾經的美麗傳說:中國核潛艇的高溫氣冷反應堆


採用液態金屬鉛鉍反應堆的阿爾法級核潛艇

高溫氣冷反應堆的氣冷指的是反應堆的一種冷卻方式,反應堆按照冷卻方式可以分為三種:

一是壓水堆,使用加壓的迴圈水對反應堆進行冷卻;

二是高溫氣冷堆,採用高壓氣體作為冷卻介質冷卻反應堆;

三就是阿爾法級用的這種液態金屬反應堆。

高溫氣冷反應堆的工作過程是:作為冷卻劑的高壓空氣流過顆粒狀的燃料,變成高溫氣體,高溫氣體又透過蒸汽發生器產生蒸汽,再透過蒸汽帶動汽輪輸出能量。可見,高溫氣冷反應堆中的氣體不光有冷卻的效果,還有傳導熱量的作用。

一個曾經的美麗傳說:中國核潛艇的高溫氣冷反應堆

高溫氣冷堆一般用氦氣作冷卻劑,氦的化學惰性和熱工效能更好,溫度提高到750℃以上也不能被活化,在高溫下也不會腐蝕裝置和管道。高溫氣冷反應堆的堆芯出口溫度為850~1000℃,最高可達1600℃。而壓水反應堆的最高溫度也只有360℃,差不多隻有高溫氣冷反應堆的三成。

高溫氣冷反應堆的另一個特點是效率高,為了能更好的加熱空氣,它採用顆粒狀的燃料,並用耐高溫的石墨材料作為慢化劑,石墨吸收中子少,而核反應是靠吸收中子進行的,核燃料的原子核在吸收一箇中子以後會分裂成兩個或更多個質量較小的原子核,同時放出二個到三個中子和很大的能量,又能使別的原子核接著發生核裂變,使這一過程持續進行下去,這個過程叫鏈式反應。

一個曾經的美麗傳說:中國核潛艇的高溫氣冷反應堆


鏈式反應示意圖

石墨吸收中子少就會有更多的中子參與鏈式反應,從而加深了燃耗,燃耗是指反應堆執行過程中核燃料的消耗程度,即消耗掉的燃料數量,即單位質量核燃料所產生的能量,一般用兆瓦日/噸鈾(MWd/t)來表示,也就是每噸鈾每天能提供多少兆瓦的功率,高溫氣冷反應堆的燃耗最高可達20MWd/t鈾。

另外,作為慢化劑的石墨熱容量大,所以發生事故時不會引起溫度的迅速增加,大大增加了安全性。

綜上所述,由於高溫氣冷反應堆顆粒狀燃料的表面積大、氦氣的穩定傳熱性好和堆芯材料耐高溫等一系列優點,它的熱效率非常高,可達40%~41%,大大高於壓水堆的33%。

但到目前為止,高溫氣冷堆的體積功率比還比較低,不如壓水堆。也就是說,雖然高溫氣冷反應堆的功率大,但它的體積更大,或者說,要達到同樣的功率,使用氣冷堆的話,體積必須更大。在寸土寸金的軍用艦艇上面,這是很難被接受的。因此,別說是核潛艇,連航母都很難應用高溫氣冷反應堆。

一個曾經的美麗傳說:中國核潛艇的高溫氣冷反應堆


高溫氣冷反應堆與人體的比例

雖然高溫氣冷反應堆成為核潛艇的動力不切實際,但不管怎麼說,這種傳言就像殲8單挑F22的壯舉一樣,雖然有悖科學規律,卻在那個落後的年代裡,增強了我軍戰勝強敵的信心,還是有一定積極意義的。

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時間: 2021-10-24

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