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核動力航母的本質是“燒開水”?沒錯,原理都一樣

2020-07-29  軍武數據庫

不少軍迷提起核動力航母,總是給人一種高大上的感覺。誠然,現在世界上只有美國能建造并使用核動力航母,俄羅斯連唯一的“庫茲涅佐夫”號都搞不好,更談不上去搞什么核動力了,中國還在技術儲備之中。當然,法國也擁有一艘核動力航母——夏爾.戴高樂號,但法國人說那太費錢,還不如規規矩矩搞常規動力的。 今天我們就揭開核動力航母的神秘面紗,看看其原理是什么?它是如何運轉的?

核動力航母的本質是“燒開水”?沒錯,原理都一樣

“西奧多.羅斯?!碧柡藙恿娇漳概灒崦灼澕墸?/p>

美國現在有10艘尼米茲級和1艘福特級核動力航空母艦,實力可以說是吊打世界其他各國。

說到核動力,其實本質上就相當于一個可控的小原子彈。以鈾235或钚作為原料發生鏈式反應,在核反應堆內發生核裂變,進而產生熱量,熱量將水變為蒸汽后推動汽輪發電機發電和推動螺旋槳。原理很簡單,做起來很麻煩。首先,這個“小原子彈”,必須是”可控的“,否則就是原子彈了;其次,如果發生意外該如何處理?比如說如果航母爆炸,總不能任其由大火吞沒吧;最后,如果航空母艦不用了,如何關停它。

說說在核反應堆里發生了什么吧。核反應堆的燃料是鈾235,當足夠的鈾235被加入核反應堆時,就會發生鏈式反應,看吧,就是這個樣子:

核動力航母的本質是“燒開水”?沒錯,原理都一樣

鏈式反應,藍色小球為中子,紅藍色大球為鈾235

在每次撞擊時,即鈾235吸收一個中子后,裂變成一個溴85核和一個鑭148核,同時放出1-3個中子。鈾235的質量為235.124,溴85的質量為84.938,鑭148的質量為147.96,中子的質量為1.009。

因此裂變前的質量總和為:235.124+1.009=236.133;

裂變后的質量總和為:147.96+84.938+3×1.009=235.925;

裂變過程中質量的減少為:236.133-235.925=0.208。

那這些減少的質量都到哪里去了呢?這就需要愛因斯坦的那個著名的方程式了:

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E為能量,即核反應堆中產生的熱量,m是反應時損失的質量(上面公式的結果0.208),c是光速(約為30萬公里/秒),簡言之,每次中子撞擊鈾235大約產生200兆電子伏的能量。

請注意:在中子撞擊鈾235時,可能產生1-3個中子,上圖中示意的是產生一個中子的情況,計算時是按照產生3個中子的情況計算的。

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航空母艦核反應堆工作原理簡圖


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A2W航空母艦核反應爐

再談談如何控制鏈式反應。控制鏈式反應的目的是既要發生鏈式反應,又需要鏈式反應在一個合理范圍內,不至于爆炸成為一個原子彈。想要達到這個目的,首先來說,核動力航母需要堅硬的反應爐。其次來說,需要控制鏈式反應的速度,否則再堅固的外殼也將被核反應炸毀。

控制鏈式反應的方法就是控制中子的數量,具體來說就是用能吸收中子的原料做成控制棒,吸收中子。吸收中子的材料一般是硼、碳化硼、鎘、銀銦鎘等。另外未來將核裂變的熱導出來,反應堆必須有冷卻劑,常用冷卻劑有輕水、重水、氦和液態金屬鈉等。

根據核反應堆的工作原理,改變中子密度和中子數將改變鏈式反應的速度,從而控制核反應堆的功率。如果想使核反應堆減慢工作,只要將控制棒插入反應堆即可,控制棒吸收大量中子后核反應自然會減慢甚至停止了。

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之后的事情就好說了,控制了核反應堆,使中子在可控范圍內不斷撞擊鈾235從而產生熱量,產生的熱量進入發電機發電,也可以直接”燒開水“推動螺旋槳使航母前進。

這時,總有軍迷會問:那如果航空母艦受到攻擊,發生爆炸怎么辦?如果暫時不用,停泊港口怎么辦?

發生意外事件爆炸,美國人已經想出辦法:臨時措施是直接向大氣排放高壓蒸汽,然后撤底停堆。其實這種情況倒也不是沒有發生過。1969年,美國第一艘核動力航空母艦企業號由于艦載機懸掛地導彈受尾焰炙烤發生爆炸,雖然此次事件造成了”企業號“嚴重受損,并造成了28人死亡,但奇跡地是經過2個月地維修,”企業號“又安然出現,繼續執行任務。

核動力航母的本質是“燒開水”?沒錯,原理都一樣

美國”企業號“核動力航母爆炸

如果停泊港口呢?那分兩種情況:暫時??窟€是長時間???。如果暫時??扛劭?,那需要向港口接一段高壓線,由航母向陸地輸送電力,就是說將反應堆生產地多余能量向陸地輸送。如果航母需要檢修而需要長時間停放,那就需要停堆了。具體做法是先停主機,回路設備,再將所有控制棒插入堆芯,熄滅鏈式反應,最后慢慢到達低溫狀態。這個過程需要持續1-2個月。

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