俄罗斯有“海燕”,美国发展过“NB-36H”,中国呢?

俊恩评趣事 2023-12-10 14:36:01
引言

“海燕,你可当点心啊!”这是早年宋小宝的春晚小品台词,不过,这句话现在可以用来形容西方国家对俄罗斯“海燕”的担忧。西方担忧的“海燕”,不是高尔基笔下黑色的闪电,而是俄罗斯“海燕”核动力巡航导弹。

“海燕”核动力巡航导弹的核动力装置就是一个涡喷发动机,将它的燃烧室装上气冷式的核反应堆,这样发动机从前部吸入空气,经过低高压加压压气机后在核反应堆加热膨胀,再经过高低压涡流驱动喷出形成推力。这看现在很简单,但欧洲国家却很担忧,因为核反应堆一旦启动,就停不下来,所以理论上它的航程是无限,而且这是一款巡航导弹,自主选择飞行路线,掠海、钻山沟,很难发现,而且就算发现,也不敢乱击落它,一是这是核动力,有核污染,二是不知道它装的是什么弹头,万一是个“双黄”呢?

高温气冷堆能否成为巡航飞器的动力?

西方国家对“海燕”的担忧源于对“核”恐惧,但是如“海燕”用了中国制造的第四代核反应堆中的核燃料,西方还会这么“担忧”吗?

据南《华早报道》报道,高温气冷堆(HTGR)在中国山东省石岛湾核电站完成了168小时的测试后,正式投入商业运行。比同样采用四代核反应堆技术的“玲珑一号”要快一些,抢先成为全球第一个投入商业运行的第四代核反应堆。

核反应堆有水冷堆、风冷堆、熔盐堆之分,其水冷又分为沸水堆、压水堆,沸水堆为第二代反应堆,日本的福岛核电站就属此类型,压水堆是是第三代,中国的国和一号、华龙一号是代表作。风冷与熔盐堆是第四代核反应堆。

气冷堆发展于20世纪50年代中期以后,。大致可以分为四个阶段:即早期气冷堆(Magnox)、改进型气冷堆(AGR)、高温气冷堆(HTGR)和模块式高温气冷堆。

石岛湾的高温气冷堆的核燃料的形状与常规的核燃料棒不同,它是个球形。核燃料棒可以通过棒穿入反应堆的体积来决定反应堆的反应速度,这球怎么控制呢?

我们知道,反应堆的反应速度控制是很重要的,速度慢了,造成效率低,反应快了,造成熔堆。高温气冷堆有两套控制反应速度的系统,一是控制球的多少,二是这个球是由特殊的材料与特殊的结构组成。

高温气冷堆的这些球是石墨球,每个球中均匀分布着8000至上万个0.5毫米的微粒(据早前报道:中国8000个,意大利的12000),微粒中心是富铿核燃料,外面还包裹着好几层碳化物,这样,核燃料的辐射就被包裹在球内,而它的热量则被流动的氦气带走。

据报道,第四代高温气冷堆的出口温度是有标准的,那就是1000℃,早年听说清华大学就达到过750℃-1000℃的报造,当时只称之为“具备四代能力的核反应堆”,石岛湾核电站直接称之为“第四代”,1000℃应该是妥妥的。据分析,这种堆的最高温记录是1620℃,

由上可知,石岛湾核电站的石墨起到慢化剂与辐射阻隔剂的功能。这么看来,这种石墨球型核燃料是很安全的,如果把它用作“海燕”的燃料,那么西方的“担忧”不就解除了吗?然,事情并非这么简单!

石岛湾核电站的高温气冷堆采用的是以氦作为冷却剂和热传介质,做功的对象是 蒸汽机。俄罗斯海燕用是什么作为冷却剂与热传价质还不得而知,但它做功的对象是涡喷机是可以确定的,另外“海燕”长12m(助推火箭3m,巡飞器9m),重量才2吨,要想装上热交换装置不但占用空间与重量,而且热损耗也大,搞不好,“海燕”就是一款空气直冷的核反应堆,也就是说它的冷却、热传媒、热做功都是一个对像。

以空气成份复杂,里面含有氧氮多种活性元素,远非氦那么来得单纯,这些活性元素是否会与碳包裹层反应?甚至爆炸?都不得而知。显然,这种石墨碳球核燃料还是解决不了西方对“海燕”的担扰。

另外,1公斤压缩空气压力加热1000℃的膨胀倍数为300倍左右,汽油与空气的混合气体膨胀极限为700倍左右,显然,这个出口1000℃的温度还嫌不够。

将核反应堆搬上飞行器,美国上个世纪选择了熔盐堆

高温气冷堆解决不了,那么熔盐堆呢?采用熔盐反应堆的玲珑一号发电站在海南已开工,最近江南造厂也获得了熔盐反应堆集装箱船的建造合同。熔盐堆的好处我们在上两篇文章讲过,不赘述了,这里就谈一下美国以熔盐堆在巡飞行器上的做了些什么。

将核发应堆搬上飞行器,美国上世纪年代就干过了,叫ANP计划,在这个计划中,美国有多个方案,但最在实验过包括高温氦冷堆和其他设计后,选择是熔盐核燃料+氦冷的反应堆“飞机实验反应堆”(Aircraft Reactor Experiment)。

美国曾尝试基于通用电气公司的J53、J57和J47涡轮喷气发动机与液态金属反应堆相连改造形成核动力发动机,最终核动力发动机X39就是基于J47改造而成,但只完成了多次地面试验。

后来还搞了个核动力飞机,采用的是熔盐核燃料+氦冷的反应堆方案,这是基于B-36改造而成的NB-36H,这使它成为首架核动力试验飞机。美国利用该机完成了核反应堆的47次“临界状态”飞行试验。但无法满足推力和使用温度要求。1961年停了摆。

熔盐核燃料+氦冷的反应堆采用了氟化钠-氟化锆为冷却剂,熔融的四氟化铀(6%U235)为核燃料(燃料与冷却冷混合的,又外置氦冷),石墨为减速剂。该反应堆热功率高达60MW(接近第一代美国核潜艇反应堆)。反应堆直径只有1.4米。在启动后,熔盐缓缓地在反应堆内循环,将反应堆加热到1150K的高温,然后氦气流出反应堆,在飞机发动机的燃烧室将空气加热膨胀后形成循环。但该反应堆的设计寿命为1500小时,可以维持500小时的最大功率。最终因辐射屏蔽设施过重,材料无法满足要求不了了之。

高温气冷堆、熔盐堆相继商业运行,中国能否研发核动力飞行器吗?

还记得“鸾鸟2号”超级空天战略载机母舰吗。长242米,翼展682米,最大升空重量为12.29万吨。它的入轨高度是4.2万公里,这么大的空间飞行器,每天消耗的能量将不可估量,这就需要“鸾鸟2号”自建生态系统,能源供用自然少不了核动力。

“鸾鸟2号”体型庞大,但核反应堆小型化还是势在必行。特别是“鸾鸟2号”是上还有“玄鸟”空天飞机,当然,现在讨论这些还是过早了,眼下就看能不能不能发展出类似“海燕”的巡航导弹。

尽管我国的高温气冷堆、熔盐堆相继商业运行,代表我国在相应的技术领域达到世界的领先水平,但是尺有所短,寸有所长。

别看俄罗斯的“海燕”核动力巡航导弹很简单,开启的研发时间是非常早的,可追溯到上世纪60年代,与美国的NB-36H计划差不多,既使从2003年重启该项目算起,也已有二十年的时间。

俄罗斯的战略需求在这方面比较大,对美国形成优势的东西并不多,而“海燕”及六大杀器正是这种条件下的产物。

结语:

核反应堆技术没有发展到一定阶段,就必须在技术上实现重组,在功能进行取舍。比如美国在NB-36H上就实现了熔盐堆与氦气的组合,而“海燕”很可能在核防护上作了一定的取舍。无论是取舍还是重组,这些都是需要条件的,特别是在成本方面。

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