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。

转自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。

关于热离子反应堆转吴锴：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??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。