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中国高温气冷堆效率领先美军两代,国产核航母却无法使用
送交者: 赤松子5 2017年12月07日18:26:06 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话

  现在全世界的现役核潜艇和航母,使用的核反应堆类型,都是压水堆,中国也不例外。

  正如国内船舶核动力设计教材中的结论,除非其他反应堆类型出现质的技术突破,否则没有一种堆型能撼动压水堆在船舶动力堆领域一统天下的地位。

  压水堆的名称来源,源于它要对一回路中直接浸泡核燃料的冷却剂——水,施加巨大的压力,通常在11-16MPa之间。也就是每平方厘米上,压力达到112到163公斤。这样做的原因,是水的沸点和压力相关——比如在青藏高原上由于气压低,除非用高压锅,水开了也到不了100度。

  典型压水堆结构

  就船舶反应堆来说,在施加11MPa的高压以后,反应堆中的水可以在281度的情况下保持液态。这使得它在一二回路之间的热交换器里,能够通过巨大的温度差,使得二回路的水也变成具备较高温度(不同功率下251-278度)和压力(不同功率下3.92-6.13MPa)的蒸汽。

  这些具备高能量的蒸汽,又通过推动蒸汽轮机的叶片高速旋转,带动螺旋桨和发电机,完成核能——热能——机械能/电能的转化。而制约压水堆性能的一个核心瓶颈,就在压力与温度的关系上:一回路的水温,不能再做高了。

  水温要做到370度,需要超过21MPa的压力。到了374度,水就达到临界点,极短时间内全部蒸发成密度与水一样大的蒸汽。过高的压力会带来大量的问题,包括设计制造太贵、泄漏几率加大且后果严重得多、难以抢修等等。

  典型压水堆压力壳内部结构

  美国海军起吊、转移压水反应堆的压力容器

  在权衡成本、风险、性能等多方面因素以后,目前主流压水堆的设计,压力一般在15-16MPa,水温能达到350度左右。再往上做,即使是每10度温度的提升,需要的压力增加也太大了,性能的提升速度远不及成本和事故风险的增加速度。

  受到这些关键瓶颈的限制,现在先进航母和潜艇的动力堆,热效率只有30%左右——陆地核电站更重视经济性,体积和重量限制宽松,可以做的更高,达到33-37%。

  此前盛传中国将在核潜艇上使用的高温气冷堆,则是使用氦气作为冷却剂;它在接收核燃料组件释放的大量热量以后,温度可以很容易的做到600~1000度范围。

  而且从理论上讲,气冷堆可以省去用高温氦气加热二回路、再生成高温高压蒸汽推动蒸汽轮机的过程;直接用加热后的氦气,推动氦气轮机发电。这种设计在技术上并不难,实际上和现在已经被主流淘汰的沸水堆设计差不多——沸水堆没有二回路,水直接烧成蒸汽去推蒸汽轮机。

  带二回路热交换的气冷堆,热效率在37-46%左右

  沸水堆结构,把水换成氦气就是最高效的气冷堆原理,能到50%

  依靠更高的冷却剂温度和更直接的能量转化设计,气冷堆在理论上能获得更高的效率;笔者在文献中见过的最大的数字是50%——如果放在压水堆上,这至少是一代、甚至两代以上的技术差距。

  由于每立方米氦气能携带的热量太少了,只有水的几百分之一;因此气冷堆虽然热效率更高,但却需要非常巨大的体积,才能实现和压水堆相同的功率,这使得它只适合作为陆地发电站的选择,是从根本原理上最不可能、最不适合作为潜艇动力堆的类型。

  这东西要立起来才能用,没有任何舰船能装得下

  比如清华大学的气冷堆,最大功率仅10MW,但核心部件的高度已经达到12.6米,全世界已经没有任何一种核潜艇能装得进去。

  而法国的红宝石,仅2600吨排水量的小型核潜艇,其反应堆功率也有48MW,而美俄主流大型核潜艇的反应堆,功率更是达到250MW级别。要在气冷堆上实现相同的输出功率,其体积是现在任何一种船舶的动力舱室都无法容纳的。

  最后要指出的是,现在全世界范围内,气冷堆都没有达到商业运行的成熟阶段——美日德在气冷堆领域的发展均停留在示范电站阶段,国内气冷堆技术源自德国,在建的石岛湾项目也属于示范电站。现在气冷堆还没有在实际运行中,真正表现出包括安全性在内,相对压水堆的实际优势。

  气冷堆由于原理上的高热效率优势,它本身是一个值得探索的方向;但这不代表它就一定具备实用性价值——特别是在与其它堆型的竞争中,能推广普及化,也不代表它就适用于所有的场合。


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