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众发彩票平台关于航母核动力装置的那些事儿,

  2013年2月,一条来自中船重工网站的消息证实,国家科技部“核动力船舶关键技术及安全性研究”863项目和“小型核反应堆发电技术及其示范应用”科技支撑项目已正式立项。这条信息当时立刻引发了海外媒体对中国将要研制核动力舰艇,特别是核动力航母的猜测。近期又有国内专家预测中国未来航母发展,核动力必然是重要发展方向。可见“核动力航母”众望所归的地位。

核动力与常规动力居然是一奶同胞?

目前全世界除了英国人的“伊丽莎白女王级”航母特立独行的采用了燃气轮机加综合电推的动力组合方式,其他所有航母无一例外都是采用蒸汽轮机驱动。蒸汽轮机所用来烧开水的锅炉被分为常规动力的“燃油锅炉”和核动力的“原子锅炉”,众发彩票平台,二者都是使用锅炉烧开水产生高温高压水蒸汽,然后水蒸汽冲击汽轮机叶片,从而带动转子另一端的螺旋桨运转,最后推动航母前进。人们为了区别烧开水的方式,于是就诞生了核动力航母和常规动力航母的的说法,殊不知两者其实不过是一奶同胞的兄弟罢了!

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核动力其实也是驱动蒸汽轮机

美军尼米兹级航母的主动力虽然看似是两具A-4W反应堆,但是真正最后做功的却是4具总功率约26万马力的蒸汽轮机。现在有人质疑并嘲讽蒸汽轮机落后,完全就是无稽之谈,连最先进的尼米兹级和福特级都使用这种动力,动力充沛,经济实用的蒸汽轮机在未来很长很段时间仍然是大型航母的首选动力,又何来落后一说?

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福特级航母剖面图,最下方为核反应堆

一艘航母采用何种驱动类型,这必须是在设计之初就定好的。常规动力航母不可能重新改用核动力驱动。目前世界上拥有航空母舰的国家有8个,在所有现役的航母中,大约有12艘核动力航母,除了一艘法国4万吨的戴高乐号核动力航母外,剩下的就都是美国的核动力航母。美国是第一个搞核动力航母,也是历史上建造最多、现在拥有核动力航母最多的国家,目前有现役10艘尼米兹级和1艘福特级核航母,而且都是10万吨的超级航母。

近日,有媒体报道称国家核安全局正式受理了太原重工海洋核动力平台反应堆压力容器制造许可证的申请,并委派核与辐射安全中心和华北监督站作为审评单位,同时对反应堆压力容器制造工作进行监管。同时,太原重工海域中船重工719所签订了海洋核动力平台示范工程反应堆压力容器设备的采购合同。据称,719所已按合同给核电容器分公司拨付了前期预付款,该合同已经正式生效。

问题:为什么有人说核动力航母不能用核潜的堆?

  如果不考虑价格,谁也不能否认核动力和航母就是天生的一对。现代的核动力航母一次加注燃料至少能运行20年,这给航母的部署和快速反应带来了极大的便利。同时,核动力航母的大吨位和大空间,也为装备更多的舰载机和武器设备奠定了基础。目前世界上美国的核动力航母数量最多,有10艘之多,并且其第一艘核动力航母“企业”号已经退役。除了美国,法国也拥有一艘核动力中型航母。

反应堆的运转原理以及核动力航母如何调整自身航速?

虽然同样是烧开水,但是与传统燃油锅炉的直接点燃重油就开煮不同,原子锅炉是同时具备两个回路系统的,而且反应堆内的热水并不直接参与蒸汽轮机的运转。反应堆内一回路中通常放置的是高洁净度的纯净水或者重水,这些水也被称为冷却剂,当反应堆开始运转产生大量热能后,这些冷却剂水就循环不断地将热量持续带走,并在这一过程的尽头传导至二回路,二回路中的水就被加热并产生蒸汽,而后蒸汽在经过蒸汽轮机的增压喷嘴后,就会高速喷射至转子叶片,从而带动转子旋转,以此推动螺旋桨旋转和航母航行。

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舰用核反应堆结构原理图

航母航速主要取决于螺旋桨转速,而螺旋桨转速则取决于蒸汽的产量,燃油锅炉可以通过增加减少燃料的加入量来控制火势大小,从而准确把握蒸汽的产量,以此来调整航母航速,那么高大上的原子锅炉是怎么进行这样的操作呢?核心就是传说中的反应堆控制棒!航母反应堆主要是临界状态核燃料进行自发的链式裂变反应,而核裂变主要原理就是热中子轰击铀-235原子,而后铀原子炸裂后又释放大量中子,以此循环往复,所以要减缓或者终止核裂变,只需要控制中子数量即可,而这就需要反应堆控制棒登场了。

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链式核裂变反应过程

反应堆控制棒通常是由硼、镉、碳化硼、银铟镉这些对中子吸收能力强的材料制造而成,当控制棒完全插入反应堆芯底部时,中子被全部吸收,反应堆处于停堆状态,当拔出来一段时,部分中子被释放出来,反应堆小功率运转,当控制棒完全拔出来时,反应堆则满功率运转。所以只需要调整控制棒的插入深度就能够控制蒸汽的产量,进而操控航母的速度。

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核反应堆控制棒

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回答:

  美法两国的核动力航母的表现有很大的差别。美军尼米兹级采用2台美国西屋公司制造的2台A4W压水反应堆(后几艘采用通用电气的A1G压水反应堆),每台轴功率为130000马力,总功率为260000马力(194 MW)。而法国的中型航母“戴高乐”号使用从核潜艇上移植来的K-15反应堆,单台功率只有80000马力。导致法国的“戴高乐”号最高航速只有27节,反倒和比自己重50000多吨的美国航母速度还要慢上3节。此外,由于技术不过关,原来设计要20年以后才更换,现在不到7年“戴高乐”号就要更换一次,这都加大了其使用成本,降低了出勤率。尽管美军核动力航母的维护频率也很高,几乎服役期的三分之一时间都在维修,超出了外界的估计。但由于美军航母数量多,某种程度掩盖了这一问题。而反映到法国核航母上,就是一个尖锐的问题:如果一个国家没有可靠的舰载核动力技术,在航母数量受限的情况下,贸然采用核动力将对航母的经济性、部署效果产生灾难性的影响。

核动力航母的优势何在?

核动力相对于常规动力最大的优势就是续航性能的无限提高,原子锅炉燃烧一千克铀235释放的能量约等于2500吨煤炭或者2000吨柴油。美国最后一型常规动力航母“小鹰级”最多能够携带7800吨舰用燃油,可以让满载排水量8万吨的“小鹰级”以20节的经济航速连续航行1.2万海里,高速32节时则只剩下4000海里的续航能力。而现如今的尼米兹级和福特级航母因为采用了核动力,理论上可以支持航母以最高时速无限航程尽情狂奔,所以一旦热点地区形势突变,美军航母总能第一个赶去镇场子,这就是核动力的优势。

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企业号航母和长滩号巡洋舰进行无燃料补给环球航行

与民用电站的核燃料棒有所区别,舰艇用反应堆体积小,功率大,更换维护困难而且成本较高,因此为了尽可能的减少燃料棒的更换周期,就必须提高燃料棒丰度!相对于民用丰度仅为3.5%的核燃料棒,军用舰艇反应堆的核燃料丰度都高的离谱,法国戴高乐号航母上使用的铀燃料棒丰度为20%,尼米兹级铀燃料棒丰度为40%,而俄亥俄级核动力潜艇甚至是直接使用丰度在90%以上的武器级铀235,有的甚至是直接从退役核弹头上拆解下来的!

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浓缩铀

一般来说,一次性能够装入反应堆的燃料棒丰度越高,质量越大,更换核燃料的周期也就更短。各项数据表明,戴高乐号航母平均更换一次核燃料的时间只有7年,这和它照搬核潜艇动力导致小马拉大车,能耗太高有着莫大的关系。而尼米兹级更换一次燃料平均时间则达到了15年,在更换燃料的同时还可以进行大修,算是一波美滋滋的操作了。而福特级因为采用了新式的A1B反应堆,燃料更换周期大幅提高到40年左右,也就是说在福特级航母整个服役期都不需要进行任何燃料补给,这已经是逆天存在了!而这种天生优势也正是美军将其水下潜艇以及水面航母全部转换为核动力的最大动力!

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俄罗斯核潜艇进行核燃料棒更换

除美国和法国之外,苏联也搞过一艘核动力航母,1143.7型乌里扬诺夫斯克号核动力航母,这艘航母于1988年开始建造,苏联解体后被分给了乌克兰,1991年11月彻底停工,最后以150美元/吨的废铁价格拆解出售。1143.7型航母安装4台KN-3核反应堆,带动4台蒸汽轮机,单堆功率达到了惊人的305兆瓦,总功率为24万马力。

要知道,所谓的核反应堆压力容器是包容核燃料、防止核***泄漏的关键设备,属于一级核部件。并且,核反应堆压力容器长期处于高温、高压、强辐射的环境下,也是核反应堆唯一不可更换的部件。几年前,中船重工就曾在其官方网站上声称"核动力船舶关键技术及安全研究"863项目和"小型核反应堆发电技术及其示范应用"科技支撑项目已正式理想。当时,就有分析人士指出,***可能已经开始研究核动力航母或者其他大型船只。核动力船只与常规动力船只相比拥有航程上的优越***,一般来说核动力燃料反应堆可以至少在30年内不需要更换,并且在动力和燃料系统上更加节省空间。核动力航母相比常规动力航母也有着明显优势,不仅拥有更强的续航能力,还能大量节省空间而停放更多的舰载机。然而,研制核动力船只需要首先突破相关技术瓶颈,这就令很多国家望而却步......

众发彩票平台 11自从上个世纪七十年代我国第一艘核潜艇091型核潜艇下水服役,中国就舰艇用核反应堆的升级和研发就没有停止过,那么问题来了:既然早就有了核潜艇,为什么不能把潜艇上的反应堆拿到航母上用呢?其实潜艇用核反应堆与航母用核反应堆还是有很大区别的,潜艇用核反应堆更注重降噪静音,而航母上的核反应堆则更注重功率和体积。万吨左右的潜艇和动辄数万吨的航母对动力的需求有很大差距,如果直接把潜艇上的反应堆拿到航母上用,无疑会陷入小马拉大车的窘境。众发彩票平台 12

  中国海军的核动力发展,肯定要追溯到第一艘核动力攻击潜艇。现在有关中国建造核潜艇的书籍和刊物已经比较多了,逐渐把笼罩在核潜艇研制上的大幕徐徐拉开。但有关中国第一种核潜艇的一些关键性指标,例如核动力装置的功率,依然极少。2001年《兵器知识》杂志刊登了美国斯坦福大学教授约翰•威尔逊•刘易斯的《中国建造核潜艇》一书的部分内容,其中提到中国核动力攻击潜艇的压水堆功率为48 MW,而核动力弹道导弹潜艇的压水堆功率为58 MW。而中国科学院高能物理研究所研究员沈经在2008年发表的文章则透露中国首艘潜艇核动力装置的功率为90MW。两者相差了几乎一倍。但不得不承认的是,无论是48还是90,这个数值和国外相比还是有相当差距的。美国从洛杉矶级核潜艇之后的潜艇用核反应堆功率一般在150MW以上。

核动力也并不单纯!

核动力航母虽然名曰核动力,但其实也是配置了常规动力装置的,而这些常规动力装置通常是用作应急,以备不时之需!美军装备最多的尼米兹级航母一共拥有4个直径为6.4米的5叶大倾斜螺旋桨,而每个螺旋桨的驱动轴除了连接蒸汽轮机之外还另外加装了一个8000马力的大功率柴油机,一旦核反应堆出现停堆或者其他突发事件,总功率达到3.2万马力的4台柴油机依旧可以推动航母慢速航行,在和平时期可以免于兴师动众呼叫紧急救援的尴尬,战争时期则不至于因为抛锚而沦为敌人的固定靶子!

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福特级航母螺旋桨传动轴内部特写

美国从1961年开始服役企业级核动力航母,陆续又搞了10万吨机的尼米兹级和福特级超级航母。美国尼米兹级航母的核反应堆,经过了一系列的复杂论证后,尼米兹级航母最终采用2台功率各为13万马力的A4W型反应堆,总功率比小鹰级的常规动力和企业级的核动力的28万马力要低。不过企业级采用了8台A2W型反应堆,单堆功率较低。

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就此问题,法国的戴高乐号航母已经成功地充当了试验品,直接从潜艇上移植的K15反应堆单台功率弱,导致戴高乐航母的最高航速只有25节(法国自称27节),而现代化传统动力航空母舰多半拥有30节以上的极速,于是,戴高乐创下了第二次世界大战以后新造传统起降航空母舰的最低速纪录。众发彩票平台 15

  从核反应的原理来看,舰载核动力功率的提升的空间似乎是很大的,但实际并非如此。首先舰艇安装了核动力,功率要受限于核燃料的使用量。从某种程度上来看,核动力就好像是燃烧铀原子的动力,就像烧油、烧煤一样。功率越大,铀的使用量越大。美国的核动力航母、核潜艇能够使用20-30年不加注核燃料,甚至能一次性使用到舰艇退役。但很多人不了解的是美国舰艇使用的核燃料棒铀-235的富集度高达93-97%,也就是达到了原子弹的水平。法国“戴高乐”号航母用了不到七年就要第二次更换燃料,就是因为K-15反应堆的核燃料棒富集度达不到美军的水平,也就是20%左右。而普通的民用核电站核燃料棒铀-235的富集度3-5%的水平。用个不太恰当的比喻,美国核动力航母燃料棒相当于纯酒精,而法国航母也就是泸州老窖的水平,而民用核电站也就是青岛啤酒了。每一次加注核燃料都相当于一次大修。常规动力舰艇只要通过接口加注燃油就可以了,但更换核燃料要把舰艇开大口子,潜艇甚至要把艇身锯开。高富集度燃料棒的制作可以说是美国的高度机密,就是最亲近的盟国美国都不会说半个字。

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"企业"号与"戴高乐"号航母

此外,由于反应堆技术不过关,戴高乐号原本设计20年后才需要更换核燃料,现在不到7年就要更换一次。如此看来,拿来主义不可行,想要建造核动力航母还是需要专门研发航母专用的反应堆。

  核动力的功率还要受限于系统的安全性。核反应堆是个高温高压高辐射的东西,正常运行的时候,反应堆的压力容器和一回路管道运行的温度可以达到300摄氏度、150 个大气压,同时反应堆又是个强大的辐射源,大量的辐射会让材料的强度出现很大损伤。因此如果片面追求功率而忽视设计上的安全性,舰艇本身的安全就无法保证。在这方面,核潜艇已经有了极为深刻的教训,在已报道的55起核潜艇事故中(法国1 起、美国5起、前苏联49起), 有25起与反应堆系统有直接关系。

由于总功率略低、船型宽导致阻尼增大,尼米兹级的航速只有31节左右,而企业级的航速可以达到35节,采用传统动力的小鹰级和福来斯特级的最大航速也能达到33节。

目前,全球仅有美国和法国拥有核动力航母,但拥有核动力潜艇的国家却有不少。究其原因,主要在于潜艇使用的核反应堆的输出功率有限,根本不能满足吨位巨大的航母使用。法国的"戴高乐"号就是典型的例子,其在设计时就准备使用全新的核反应堆,但制造商能力有限,预算也有限,只好将"凯旋"级弹道******的K-15型反应堆改进后移植到航母上,结果造成"戴高乐"号功率不足。海试期间,"戴高乐"号的最大航速仅有25节,甚至不及美国已经退役的"小鹰"号常规动力航母。值得一提的是,航母的航速影响着舰载机起飞,如若航母的航速足够快,舰载机在起飞时就可以节省燃料并获得更短的起飞距离。

回答:

  中国舰载核动力的水平是很难进行判断的,因为涉及核工业的大量信息尚处于未解密的状态。但提高舰载核动力水平的途径,却是可以归纳总结的:包括延长堆芯的寿命、使用高富集度燃料棒、提高反应堆控制的自动化水平、发展新的抗腐蚀抗高温抗辐射新材料、采用非能动安全系统,以增加自然循环能力,即依靠重力、对流、蒸发等自然过程自动处理各种事件,即使在发生严重事故时,也能保证向堆芯补水,绝对保证堆芯不裸露,而且无需运行人员操作,从而避免人为误操作的发生。

尼米兹级的A4W型反应堆更换铀燃料棒的频率,要明显低于企业号A2W型反应堆,为每13年更换一次,可连续航行80万~100万海里,而A2W型每更换一次只能够连续航行20w~50万海里。例如企业号核航母服役期间,共四次更换核燃料,在航行了20.7万海里之后,于1964年11月第一次更换。又航行了30万海里之后,于1969年10月第二次更换。再航行了50万海里之后,于1979年第三次更换。在1991年该舰实行延长服役期改装计划时,第四次更换核燃料。

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核动力航空母舰当然可以使用核潜艇的反应堆。

  中国核动力的进步,可以从民用核反应堆的发展上初窥端倪。和美俄法等国一样,中国的民用核反应堆技术其实“军转民”的结果。中国的秦山核电站一期的技术来源,就是中国第一代核潜艇的压水反应堆。从大亚湾核电站到岭澳核电站一期、二期, 再到红沿河核电站,这则是一条引进法国核电技术在逐步国产化的历程。辽宁红沿河核电厂的4座国内首个具有自主品牌的CPR1000核电机组,可以视为是中国在消化法国技术的二代半核电水平。如果说CPR1000是来源法国设计,那么秦山二期则是中国自主设计向“二代半”核电靠拢的一个过程。秦山二期核电站,在堆芯设计、性能指标、反应堆系统设计、反应堆冷却剂系统设计中都获得了众多创新性成果。在秦山二期的55 项关键设备中47 项实现了国产化,其中压力容器、蒸气发生器、控制棒驱动、新材料管道均实现国产化。

那么,核动力航母装满核燃料需要多少钱?

"福特"号航母

并且美国的企业级航空母舰采用了八个a2w反应堆,脱胎于s2w潜用反应堆的a2w反应堆,虽然说功力还是不怎么高,但是八台并到一块功率总是足够的。
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  现在随着AP1000项目的发展,中国也开始在充分消化吸收美国西屋公司第三代AP1000设计技术的基础上进行国产CAP1000的设计开发工作。更重要的是伴随CPR1000和秦山二期的发展,中国已经形成了一个快速发展的核电产业链条。以上海为例,正逐步形成包括核岛、常规岛、控制系统、核电材料、辅助设备五大板块在内的完整核电产业链。上海核电产业具有起步较早、基础较好、人才资源丰富的特有优势。从上世纪70 年代起,上海核电企业参与过秦山一期、秦山二期、岭澳等核电站的主辅设备研制生产。现在上海电气、上海核工院等对核电的投资和推广明显加大。上海电气集团成立重工集团,加大对临港和闵行两大核电设备生产基地的建设,其中临港将形成2.5 套百万千瓦级核岛主设备、4.5 套堆内构件和控制棒驱动机构等制造能力。宝银特种钢管公司,首次涉足核电蒸汽发生器用钢Inconel690-U 型管的设计、研发和生产领域。

先来看看什么是浓缩铀?根据国际原子能机构的定义,丰度为3%的铀235,为核电站发电用低浓缩铀。丰度大于80%的铀为高浓缩铀,丰度大于90%的称为武器级高浓缩铀,可直接造核武器。高纯度的浓缩铀提取成本极高,获得1公斤武器级铀-235,就需要200至1000吨铀矿石。

此外,核燃料棒的浓缩程度也影响着航母的作战运用。核燃料棒的***浓缩程度越高,核反应堆的持续工作时间就越长,航母在全寿命期内更换核燃料的次数也就越少。美国"佛吉尼亚"级***的S9G反应堆和"福特"级航母的A1B反应堆的***235浓度均为93%,而法国"戴高乐"号的K-15反应堆使用的核燃料棒的***235浓度仅为20%左右。正因如此,美国的核动力航母、潜艇能够使用30年,甚至50年不需要更换核燃料,而戴高乐却要每7年就更换一次。并且,航母更换核燃料也比较麻烦,需要将整个堆芯从船体中取出,整个过程将让这艘航母在船坞内带上数年。因此,如果要建造足够***价比和作战能力的核动力航母,必须先掌握好相关的核技术。否则,航母在寿命期内频繁更换燃料必然造成不必要的花费,也降低了一定的作战能力。

法国的戴高乐级航母采用的两台k15反应堆,因为法国又没钱,又想装逼,所以戴高乐航速较低。

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