當下核動力發動機為什麼沒有辦法實現小型化,是冷卻技術不足還是其他原因?

轟炸機穆勒


在能源消耗巨大,傳統石化能源急需替代品的今天,小型核動力能源的確是一個誘人的選擇。

安全、清潔、高效的小型核動力發動機,將使人類在很長時間內擁有充足的能源,全球碳排放大大減少。

核能源經過近70年的發展,雖然提出了各種概念,做過了很多實驗,但到目前為止,從核電站到核潛艇、核航母仍然以傳統的輕水反應堆為主流,核動力小型化的難度是非常大的。

“冥王星”核動力巡航導彈
如果僅僅把體積做小,那並不困難。無論是將空氣直接加熱噴射出去的“冥王星”核動力巡航導彈,還是用核彈爆炸驅動飛行的“獵戶座”飛船,它們的核動力裝置都不大。但都有一個致命的問題,就是對地球環境非常不友好,不宜在大氣層內使用。

所以小型核動力容易,但要兼顧安全、清潔、經濟、可靠就難多了。

“獵戶座”核動力飛船

一、熔鹽反應堆

2002年,由13個國家和地區組成的“第四代核能系統國際論壇(GIF)”提出了6種第四代核反應堆系統,分別是:熔鹽堆(MSR)、超高溫堆(VHTR)、超臨界水冷堆(SCWR)、氣冷快堆(GFR)、鉛冷快堆(LFR)和鈉冷快堆(SFR)。

其中熔鹽反應堆(MSR)↑ 是一種非常有前途的,能夠小型化的核反應堆選擇。它誕生於1946年的美國飛行器反應堆實驗(ARE)。

冷戰時,美蘇展開了瘋狂的軍備競賽。美國率先在NB-36H轟炸機 ↓上開展核動力飛行實驗,核動力裝置便是熔鹽反應堆。

與用水做慢化劑、冷卻劑的輕水反應堆不同,熔鹽反應堆中是高溫的熔鹽混和物。它既是燃料又是冷卻劑,核燃料均勻的融在其中。熔鹽在管道里流動,將核燃料釋放的熱能帶出,通過二級迴路間接循環產生蒸汽,帶動螺旋槳飛行。

熔鹽堆的優點很多:

1、高溫低壓,傳熱效率高,無需笨重的壓力容器,管道焊接也容易。

2、液態燃料,沒有堆芯熔燬的風險。天然負反饋機制,反應堆溫度過高時,鏈式反應能及時停止。

2、高化學穩定性、高熱容性。結構緊湊、重量輕,適合小型模塊化設計。

3、熔鹽冷卻,不需要大量的水,可在乾旱內陸地區運行,也可在飛機、坦克等沒有大量水源供給的設備上使用。

4、釷基熔鹽堆的核廢料不能生產鈈,不能製造核武器,有效的防止了核擴散,成為民用核能的重大優勢。當然,這也是它當初不受軍方待見的原因。

蘇聯也緊隨美國,開始了代號圖-119(圖-95LAL)↑ 的核動力飛機實驗。使用VVR-C核反應堆,通過間接循環帶動2臺NK-14A型核動力渦槳發動機,共進行了34次飛行。

儘管採取了很多隔離屏蔽措施,但核動力飛機的輻射依然驚人,以至於駕駛艙要用厚厚的鉛包裹起來。

這種帶著核反應堆的飛機,就是一顆飛行的髒彈,一旦出事將會造成巨大的環境災難和人道問題,所以隨著洲際導彈的興起,核動力飛機就扔到一邊了。熔鹽堆的研究也隨之停止,直到40多年後,人們才重新想起它。

熔鹽反應堆是第四代核反應堆中的明星,其技術成熟後,可用在很多地方。

二、另一個具有良好前景的小型核動力裝置,是熱離子反應堆,也叫空間反應堆。

它原本是美蘇兩國為衛星、宇宙空間站設計的核動力電源裝置,它將反應堆的熱能直接轉化成電能,再用電驅動設備運轉。

熱離子堆芯是95%的高濃縮鈾,堆芯外有特種金屬層,內層是鎢(W),是熱電子發射極;外側是金屬鈮(Nb),是電子接收極;中間注入氣態銫(Cs)。電子從鎢極發射,到鈮極接收形成電流。

熱離子反應堆不但在宇宙飛行器上廣泛應用,在潛艇等深海潛航器上也有良好的前景。它體積小,重量輕,讓潛艇潛航時間更長,更靜音,隱蔽性更好,是常規潛艇、AIP潛艇、攻擊核潛艇動力升級的上佳選擇。

只是熱離子反應堆目前單堆功率還不夠大,尚不能滿足潛艇的高航速需求,而且熱效率低,只有3~5%,還需要進一步完善。

三、未來可控核聚變技術成熟後,小型核聚變動力才是人類的終極目標。

核聚變資源豐富,氘、氚從海水中提取即可。核聚變清潔環保,幾乎沒有輻射,廢料也沒有放射性,核聚變釋放的能量也比裂變大的多。

一旦聚變技術成熟,將使人類獲得取之不盡,用之不竭的能源,徹底擺脫困擾,也是邁向宇宙必不可少的動力。不過可控核聚變技術距離成熟還需要相當長的時間。

綜上種種原因,核動力小型化還停留在實驗階段,還有很多困難,不僅僅是水冷卻的問題。不過隨著技術的發展,小型核動力終將擔負大任,開啟"第二核紀元",幫助人類進入更美好的未來!


和風漫談


作為核工程領域的專家,我發表一下我看法。核動力發動機最大的難點在於穩定運行,核電站可以通過有人控制棒系統和熱工水力來實現穩態運行,但是核動力發動機面臨較複雜的外部負載環境,而這些負載變化會導致反應堆運行的不穩定,而作為飛行動力,必須高度穩定,這是一大難點;其次,核動力飛行發動機作為一個開放系統,必然帶來環境的放射性汙染。俄羅斯在這方面已經取得成功,說明這技術是可以掌握的。


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