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标  题: 热离子反应堆给潜艇带来什么(上)
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年01月30日12:15:35 星期三), 站内信件

热离子反应堆给潜艇带来什么(上)︖
--　访中国潜艇专家张金麟
　　
关于五种反应堆
　　吴锴：请您先介绍一下世界上已出现的几种潜艇反应堆的工作原理？
　　张金麟：美国从1948年开始对三种热交换型式的反应堆，即压水堆、气冷堆和液态
金属冷却反应堆进行研究。最初美国考虑将反应堆装在Φ5.5×92米的潜艇壳内，其排水
量在2 000吨左右，对反应堆的技术要求是：高浓缩铀的堆芯，用热中子或接近热能的中
子；在铀燃料一定时，反应堆结构材料吸收中子要少，堆芯功率密度高、结构要紧凑。

　　根据此技术要求，美国首先发展了压水堆和液态金属冷却堆。接着苏联也发展了这
两种反应堆。这两种堆都经过陆上模式堆的考核试验后才将同型堆安装在它们的早期核
潜艇上。
　　作为舰船核动力，曾经产生过五种反应堆的方案设想，构成五种不同的舰船推进装
置型式，它们分别是：
　　
　　压水反应堆　由压水堆、一回路系统和设备、二回路系统和设备及推进轴系组成。
反应堆和一回路均在高压下运行。所以作为反应堆的载热剂和慢化剂的水在约300℃时亦
不会沸腾，故此类型反应堆称为压水堆。
　　载热剂在反应堆中被加热送到蒸汽发生器，将其热经传热管传给蒸汽发生器二次侧
水（二回路一侧的水）并使其变成饱和蒸汽，从蒸汽发生器流出的载热剂经由主泵又被
回送到反应堆再加热，形成一回路循环。饱和蒸汽送至主推进蒸汽轮机作功，从汽轮机
排出的乏汽在冷凝器中冷凝后经给水泵再送至蒸汽发生器，形成二回路。主推进蒸汽轮
机经减速齿轮带动螺旋桨推进艇航行。
　　反应堆和一回路因具有放射性，所以需要布置在屏蔽内。蒸汽发生器产生的蒸汽由
于被传热管壁与一回路隔开，因此二回路系统和设备同常规蒸汽动力装置一样没有放射
性，所以不需屏蔽。
　　
　　液态金属反应堆　由反应堆、一回路、中间回路、二回路和推进轴系所组成。
　　液态金属堆用石墨和铍作慢化剂，用中能中子维持链式反应，其优点是燃料的消耗
比热中子反应堆低。早期的载热剂采用熔融的金属如钠、钾、铋、铅及其合金。
　　在一回路中用熔融金属钠循环载热，运行压力只有5～7大气压，就可获得较高的温
度，装置效率较高。一回路主泵采用电磁泵，由于没有转动部件，故可靠性高。
　　中间回路采用钠、钾作载热剂。一回路向中间回路传热是通过中间热交换器，中间
回路将反应堆的热量再通过蒸汽发生器传给二回路，在蒸汽发生器中产生过热蒸汽（由
饱和蒸汽进一步加热而得）。
　　液态金属堆的缺点是核燃料的初装量相对较多。金属钠吸收中子蜕变为钠-21，半衰
期约为15小时，并生成发射高能γ的钠同位素，所以一回路的设备和管道都要屏蔽。为
防止液态的金属钠在管道和设备内凝结，反应堆停堆后还需保温和加热。此外，金属钠
具有强烈的腐蚀性，与水会发生剧烈反应，可能会引起爆炸和火灾。
　　
　　气冷反应堆　气冷堆是用气体作为载热剂的反应堆，一般使用的载热剂有He、N2、
CO2。因为这几种气体制取很容易，且化学性质稳定。其中He的载热效率较高，它不吸收
中子，无感生放射性，不与结构材料发生化学反应，传热性能良好。此外，它还有较高
的转换比和较深的燃耗。
　　气冷堆推进装置的循环系统有两种形式：单回路循环系统和双回路循环系统。在单
回路循环系统中，封闭的He回路作为一回路，蒸汽回路作为二回路。
　　比如，一个功率为24.3MW的船用单回路He冷却反应堆燃气轮机推进装置，它是由一
个He冷却高温反应堆和一台双轴燃气轮机组成。高压燃气轮机作为压气机的动力，低压
燃气轮机作为推进燃气轮机。
　　He在反应堆被加热到850℃、60大气压进入高压燃气轮机作功，由低压燃气轮机排出
的He温度为500℃，压力为20大气压。排出的He经三级压缩和冷却后进入热交换器，预热
到445℃再次进入反应堆加热完成循环。气冷反应堆推进装置发出的轴功率可为3.3万马
力，效率可达37%。
　　由于高温气冷堆有较好的中子经济性、裂变燃料转换比高、燃耗深度大，功率高、
运行稳定、安全性好，比容积和比重量都较小，因此曾被认为是可替代压水堆的推进装
置。
　　吴锴：那么气冷堆为什么还没有取代压水堆呢？
　　张金麟：从技术发展的角度看，气冷堆与压水堆几乎是同时起步的。但压水堆最早
应用到舰船上，并不断的发展使之越来越成熟，人们就有了一种先入为主的概念，这是
其一。其二，气冷堆的技术比压水堆还是要复杂些。气体在循环过程中的载热、冷却等
温度要比压水堆中的水高许多，因此，氦气系统和设备所用的材料要求在高温下具有良
好的耐热性，而且其连接处还要求具有良好的密封性，这在工程上都是较难解决的复杂
难题。另外，燃料元件的制造、氦气的热工、流动以及热物理结构等方面的技术，尚需
要一系列的台架试验和陆上试验堆的考核。在这些工程问题尚未得到解决之前，目前气
冷堆还不能取代压水堆。
　　
　　有机反应堆　有机反应堆是用有机液体作为反应堆的载热剂和中子慢化剂，通常用
的物质是联二苯和联三苯。这种有机液体（联二苯和联三苯）含有足够多的可慢化中子
的氢原子，沸点也较高，可使反应堆和主回路工作压力降到10大气压下，从而大大节省
系统和设备的制造费用。
　　有机反应堆推进装置的系统如反应堆和一回路的设备都与压水堆相似。所不同的是
有机堆的载热剂的净化采用蒸馏法。这种净化分两部分：低温系统用来除掉溶解的气体
，高温系统用来对载热剂完全蒸馏，蒸馏之后蒸汽重新冷却，再送回主回路。
　　有机堆曾被认为是具有很大潜力的紧凑型动力源。但实际经验证明其热交换性能差
，而且主回路的泄漏在舱内会释放出有毒蒸汽，并增加火灾危险，所以未得到推广和应
用。
　　
　　沸水反应堆　沸水反应堆用水作为载热剂和慢化剂，水可以在堆芯内蒸发汽化。沸
水堆的优点是可在较低的工作压力下获得较高的蒸汽温度。在动力反应堆技术发展初期
，人们希望直接从反应堆中产生汽轮机所需的蒸汽，这样可省去蒸汽发生器，简化系统
，减小装置的重量和体积。
　　船用沸水堆的循环系统分单、双回路两种。在单回路循环系统中，由反应堆产生的
饱和蒸汽或过热蒸汽直接供蒸汽轮机作功，排出的乏汽经冷凝器冷却后再由给水泵送入
反应堆。这样的蒸汽系统具有放射性，系统和设备都需布置在屏蔽内。　　
　　吴锴：单回路沸水堆比双回路沸水堆的优点是省略了二回路，结构简单；缺点是需
要全部屏蔽，这又导致结构不简单。如何权衡其优缺点？
　　张金麟：首先，单回路沸水堆放射性扩散的范围比较大。第二、其屏蔽的面积较大
。连蒸汽轮机都必须屏蔽，因此单回路沸水堆的屏蔽重量非常大，使艇体的稳性控制增
加了难度，给艇上总布置带来困难。大型沸水堆核电站因为其屏蔽较为容易实施，所以
均采用单回路系统。船用沸水堆至今尚无建造的实例。
　　吴锴：那么，目前各国核潜艇所采用的压水堆推进装置的组成如何？有无特殊要求
？
　　张金麟：目前各国核潜艇均用压水堆作动力，其典型推进装置是由反应堆、一回路
、二回路、电力系统、应急电力系统和轴系所组成，一般分布在艇的尾部,约占3～4个舱
室的位置。
　　压水堆推进装置的轴系与常规动力装置的轴系基本相同。其略微不同是，在压水堆
推进装置上，通常在轴上安装一个套轴的低速推进电机，在核动力装置发生故障时或需
要进行低噪声航行时，利用应急电源供电以便使核潜艇获得推进动力。
　　压水堆推进装置的二回路系统和设备与常规蒸汽动力装置基本相同。
　　压水堆推进装置的电力系统和应急电力系统，虽然其设备与常规动力装置基本相同
，但其供电的品质、可靠性要求比较高，一旦正常电力系统发生故障时，要求应急电力
系统能在5秒甚至更短时间内供上可靠电源。
关于热离子反应堆
　　吴锴：下面请您谈谈热离子反应堆在潜艇上的工作原理？　　
　　张金麟：热离子反应堆是将其核热能在反应堆内直接转换为电能，其电能可以直接
作为动力。热离子堆在美俄是作为宇宙空间站的电源而设计的，故又称空间反应堆。其
基本特点是，核燃料的外侧装备着可以控制核反应速度的转动式反射体/控制棒，利用热
电子发电的方式从核热能直接获得电力。
　　为了使空间反应堆的堆芯具有最小尺寸，燃料芯块使用的是95%的高浓缩铀。另外，
为了保证从高温的核燃料中直接获取直流电力，在燃料芯块的外侧，布置了装备发射极
和集电极的核热燃料单元体。核热燃料发电单元是由核燃料芯块、发射极和集电极等组
成。为了获取直流电力，沿圆周方向分成8个等面积区域，每4个核热燃料单元体并联连
接起来形成一组，然后再把2组核热燃料单元体并联起来，沿着轴向进行排列。把核热燃
料单元体并联起来的优点是，即使数量众多的核热燃料单元体之中的某些单元体出现性
能故障，仍不至引起总体发电性能的降低，从而使空间堆的运行可靠性得到保证，核热
燃料单元体的中心部位是带有孔洞的UO2或UN燃料芯块。把燃料芯块制成带有孔洞的形式
，以防止燃料发生熔融事故。紧靠燃料芯块的外侧，则是作为热电子发射体的金属钨（
W），这一层金属钨作为电子发射极被装配在与燃料芯块紧靠相邻的位置上。位于金属钨
外侧的是一层金属铌（Nb），但是在钨层与铌层之间设置了一段空隙，在这段空隙中充
注了一些气态的铯（Cs），这样做是为了防止空间电荷效果引起发电率的降低。金属铌
在功函数和蒸汽压力方面均低于作为热电子发射体的金属钨，它被用做集电极。铌层的
外侧是铌-1%锆耐热合金屏蔽层。铌层与铌-锆耐热合金屏蔽层之间也设置了一段空隙，
空隙中充注了氦气（He），以防止冷却剂温度上升过高。隔片的作用不仅可防止燃料芯
块上下移动，同时还可增加核热燃料单元体的物理强度。由若干个核热燃料单元体组成
的核热燃料单元体组件被紧密配置起来，形成六边形，并且由数量众多的六边形组成网
格形状。每个核热燃料单元体组件之间留有一定的间隙，冷却剂则沿着自上而下的方向
在核热燃料单元体组件之间的间隙中流动。冷却剂采用液态金属，其目的是为了提高传
热性能，减少堆芯尺寸，提高堆芯温度（即提高发电效率）。金属冷却剂的材料主要是
钠钾共晶合金（NaK）、钠（Na）以及锂（Li）。
　　另外，为了对核燃料消耗引起的反应速度降低进行补偿控制以及对反应堆的启动、
停堆和运行进行控制，采用了转动式控制棒。在反应堆的外侧，沿圆周方向设置了十多
个转动式控制棒，在转动式控制棒的局部，留有一部分扇形区，这些扇形区是中子吸收
体，其余的部分是反射体。利用反射体的转动实现对核反应速度的控制。中子吸收体采
用的是碳化硼（B4C），反射体采用的则是氧化铍（BeO）。
　　吴锴：从前述看出，热离子堆的原理就是金属钨接受反应堆传出的热量后发射出电
子，被铌吸收，形成电流。那么，为何选择钨而不选择别的金属呢？
　　张金麟：主要是金属钨在高温下强度较大，化学性质较稳定。比如灯泡都用钨丝。
如选择别的金属，化学性质不稳定，高温时会生成化合物，发电效应会受到影响。
　　吴锴：那么，热离子反应堆用于潜艇核动力有哪些优点？
　　张金麟：比如，美国研制成功的由SP-100型空间反应堆组成的核热离子反应堆动力
装置由反应堆、功率转换组件、废热移去系统等组成。热离子堆无需热力动力机械就能
直接实现热电转换，其电能给推进电机供电即可构成潜艇的推进系统。这样它将省去压
水堆核潜艇一、二回路的许多设备如蒸汽发生器、主蒸汽系统、主冷凝器、汽轮发电机
组、主汽轮机组、减速齿轮、给水和凝水系统、滑油系统等，使潜艇核动力装置的重量
和体积大幅度减少，热离子堆动力装置在艇上布置非常灵活和方便，有望使装置更能耐
冲击，也可避免高温、高压的环境，使得对装置的材料苛求程度降低。此外，会提高可
靠性和自动化水平，大大减少操纵和维护人员。
　　吴锴：热离子堆与气冷堆相比，当前谁更值得发展？
　　张金麟：气冷堆虽然热效率很高，但它与其它堆一样，都省不了一、二回路的那些
机械设备，而这些设备正是潜艇上最大的噪声源之一。从减少热力转换机械，大幅度减
少核动力装置的体积和重量，从而降低潜艇排水量和噪声的角度上来看，与其大力研究
气冷堆，不如将精力集中转向热离子堆。
　　吴锴：热离子堆的功率及效率能否使核潜艇在高速性上有突破？
　　张金麟：热离子堆系统是从空间动力发展而来，目前其功率比压水堆小。五十年代
末，苏、美同时开展空间核能源研究。他们认为空间核能的功率和紧凑性与其它空间能
源相比有明显优势。最初热离子堆的功率小、体积小、重量轻、结构紧凑、寿期短，主
要用于雷达、电推进器、通信和其它军事用途以及作为空间动力源。如苏联曾发射上天
的有2个电功率为6～7千瓦的热离子转换反应堆。
　　1987～1988年，热功率为180千瓦、电功率6千瓦的苏联托巴斯-1型热离子堆通过试
验。其后发展的托巴斯-2型属第二代热离子堆，其输出电压为120伏、电功率为25～50千
瓦。
　　1987年美国国防部高级研究署副主任克雷格·菲尔兹指出：目前有两个因素制约着
核潜艇的设计。一是需保持潜艇重心位于艇的中部；另一是低温的蒸汽动力装置效能太
低。他还指出：通过超导电动机、发电机和先进的动力传动机构使潜艇尾部重量降低，
帮助解决艇的平衡；如反应堆的热能直接转化为电能，省去机械转换环节，也可提高潜
艇的推进效能。
　　1992年4月25日，美国海军核反应堆部主任布鲁斯·德马斯上将在国会闭幕式上发言
时指出，“在近期我们尚未发现可替代压水堆的潜艇反应堆。在远期，我们放弃了液态
金属堆的试验，而为高温气冷循环和热离子、热电及其它静态转换拨了发展资金。”
　　热离子堆的另一个问题是热电转换效率低。如：托巴斯-1型热功率为130～150千瓦
，电功率5～7千瓦；美国SP-100型热离子堆产生10千瓦电功率时，其热功率为2.4兆瓦。
它们的效率仅为4.2～4.6%。
　　美国用压水堆和SP-100型热离子堆进行对比时，在假设装备这两种反应堆的潜艇具
有相同能力时，压水堆的热功率为66兆瓦，而热离子堆的热功率为176兆瓦，这表明SP-
100型热离子堆的效率仅为6～7%，而压水堆则在16%左右（指最后推进功率与堆功率之比
）。可见热离子堆用于核潜艇，其效率相对较低。但从另一方面看，由于热离子堆所占
体积、重量小，可减小艇的排水量，提高航速。
　　目前，美国通用原子公司研制的500～5 000千瓦的热离子堆将取代斯特林发动机、
闭式循环柴油机、燃料电池、闭式循环蒸汽轮机，而且比AMPS小型核动力系统更优越。
在潜艇航速和续航力上都有较大优势，而且不需氢、氧及柴油等燃料供应。
　　对压水堆而言，由于已有五十多年历史，在功率和寿期方面完全满足潜艇的需求。
理论上说，潜艇需要多大功率，压水堆就能做到多大功率，但实际上受体积、重量限制
不可能实现，而且其热效率再提高的潜力不大。
　　综上述，热离子堆需要在热电转换效率方面进一步提高，以满足大型核潜艇的功率
需求。目前尚不能像压水堆那样没什么限制地使核潜艇在高速性有突破。
　　吴锴：热离子堆的活性区寿命如何？活性区寿命长是否一定能提高核潜艇的在航率
？美国战略核潜艇的S8G4反应堆活性区寿命为10年，英国战略核潜艇12年，法国可达25
年。似乎活性区寿命只需大体上是大修周期的整数倍即可保证效费比最优。您如何看？

　　张金麟：反应堆活性区寿命主要决定于活性区燃料元件的性能、燃料浓度及燃料元
件材料的耐辐照性、热稳定性、耐腐蚀性等。这要求燃料元件在寿期内不能损坏，并有
足够的后备反应性，可保证堆的运转。
　　一般讲，只要反应堆活性区的寿期与潜艇的中修或大修周期相对应，反应堆换料就
可结合潜艇中修或大修同时进行，就不会影响潜艇在航率。但因反应堆活性区造价较高
，影响经济性，一般认为反应堆活性区寿命最好与艇的服役期相等，这样，潜艇服役期
间无需中途换料。现在压水堆的设计制造和材料的性能均可满足此要求。
　　吴锴：采用长寿命堆芯的核潜艇在大修时是否也需对反应堆进行检测？如果是这样
，那么长寿命堆芯在麻烦程度及耗时上将没有优势，而且长寿命堆芯的成本是否比低寿
命堆芯几次换料的成本还要高并使危险性加大？
　　张金麟：核潜艇长寿命反应堆的堆芯何时需检查，主要取决于反应堆内部的结构和
部件在运行时是否出现异常，或燃料元件是否发现破损而不能维持反应堆的正常运行。
因此，反应堆堆芯的检查与核潜艇的大修程序无关，也与正常反应堆换料程序无关。对
反应堆内发生的异常情况进行检查属于反应堆的故障和处理。当反应堆不能正常运行而
需进行检查时，不管核潜艇处于何种状态，都需要进行处理或修复。此外，无论核潜艇
是否处于大修状态，艇上的反应堆都无需进行检测。当然，由于核潜艇在役的反应堆有
很强的放射性，在对艇上的反应堆进行检查及对其故障进行处理时，用于检查和处理的
工时和费用是很大的。
　　在一般情况下，不会因为长寿命反应堆的堆芯技术要求较高而使成本成倍增加，总
的来看，长寿命堆芯在核潜艇的寿期内还是经济的。
　　目前国外电功率在100KW左右的热离子堆，其寿命可达7～10年，若用于潜艇，至少
能做到与艇的中修或大修期相适应，可像一般核潜艇那样结合中修或大修进行换料，这
样便不会影响在航率，达到最佳的效费比。
　　吴锴：热离子堆核潜艇由于吨位小，其总体噪声频谱会比目前核潜艇（如“海狼”
）改进多少？其处于安静状态的最高航速是否会提高？
　　张金麟：核潜艇的总体噪声频谱各国均极保密。“海狼”级首艇造价约35亿美元（
含研制费）。它在降噪上采用泵喷和主动消声减振等技术，可说是精雕细刻。其艇员曾
宣称：“潜艇以25节航行时，噪声仍足够低，仍能保持隐蔽性”（这是从艇员的主观感
受而言）。“海狼”级噪声低主要得益于设备的安装方法，即在艇壳附近留有空间，以
便声波散射；甲板与艇壳连接处有液压减振器，保证了潜艇最大安静航速达20节。“海
狼”级在设计时，其噪声目标定在110dB以下，已达海洋背景水平。因此，不能简单地说
2 000～3 000吨的热离子堆核潜艇的总体噪声会比9 000吨的“海狼”有多少改进。
　　热离子堆核潜艇没有大型能量转换的转动机械，又可使核潜艇的排水量减小，其噪
声要比一般核潜艇和常规潜艇低，至少可与同吨位的采用燃料电池的AIP潜艇相当。因为
它在降噪方面有其固有的优越性。
　　早些年，一般称核潜艇有三大噪声源，即一回路的主泵、二回路主汽轮机组的减速
齿轮箱和螺旋桨的水动力噪声。近年来不断改进，反应堆的自然循环能力强，低功率时
主泵可停用。减速箱在降噪方面也有一定进展。有的核潜艇采用电力推进以降低其噪声
。但大功率的核动力装置带有大量的电动辅机如海水系统的泵，它们产生的机械振动及
进、出艇的海水流道中的流动噪声是相当大的，这需要在设计上采取主动消声减振措施
才能使核动力装置安静化。而热离子堆核潜艇没有这些装置，也就不存在这些噪声源。

　　由螺旋桨引起的第三大噪声源即水动力噪声，由于热离子堆核潜艇排水量小而容易
在设计上得以控制。另外，热离子堆体积小，在艇内受到的约束小，容易布置，可较容
易地把潜艇的长宽比控制在6.5～7.5之间，达到最佳比例，保持较好的水滴外形，从而
减少艇体湿表面积和反射面，对其降噪和隐蔽性均有益处。其次，由于热离子堆的辅助
系统简单，进出艇体的流水口直径小且数量少，因此艇体开孔数量少，开孔直径也小，
可减少水流共振和紊流，保持潜艇的安静性。
　　由于这些原因，若在设计上采用与“海狼”级同样的技术措施时，其安静状态的最
高航速是可提高的。
　　吴锴：热离子反应堆使核潜艇吨位降低到2 000～3 000吨后，虽然作战灵活性及浅
海作战能力大大增强，但是否会对深海大洋作战能力及持续作战能力产生制约？首先请
谈谈其武器装载量能否满足要求，与现在同吨位的核潜艇（如“红宝石”级）相比如何
？
　　张金麟：这应先了解一下“红宝石”级的情况。该级艇水下排水量2 670吨，从其第
5、6艘艇起进行了改进，艇长增加，首部更圆，线型更接近于水滴形，鱼雷、导弹的装
载量从18枚增加到22枚，潜深由300米增到350米，自持力由45天增加到70天，螺旋桨由
5叶改为7叶，航速25节，艇员70人。早在1981～1982年，“红宝石”级曾进行过三次远
航试验。其中一次为62天，航程16 000海里，此外，还进行过编队演习。试验表明，该
级艇上声呐、导航和通信能力完全可适应远洋和持续作战的要求。另外，U212和U214级
燃料电池潜艇也都是2 000吨以内的潜艇，都配有较强的武器系统、较完善的集中控制的
声呐系统、一体化的无线通信系统和导航系统等。
　　热离子堆核潜艇仅是将核动力装置简化、小型化，可以长期潜入水下作战，作战能
力应相当于同吨位压水堆核潜艇，但是优于AIP潜艇。
　　吴锴：这就是说2 000～3 000吨的热离子堆核潜艇的作战能力也并不比“红宝石”
级强。
　　张金麟：热离子堆在功率尚未达到足够大的情况下，其核潜艇航速不一定能超过“
红宝石”级，但在相同航速下其安静性却肯定比“红宝石”级好。热离子堆核潜艇一旦
出现在战场上，反潜兵力将很难对付。（未完待续）

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         ------没有比人更高的山，
                   没有比脚更长的路。

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 天外飞仙]

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