航母核动力到底是什么原理来驱动的?

飞飞小迷弟00


核动力系统的驱动介质还是蒸汽,只是把锅炉产生蒸汽更换为核反应堆产生蒸汽。很多朋友以为核反应堆本身就可以驱动螺旋桨,这个想法其实还没有理解核能和核动力系统的真正含义。

以前写过一篇“辽宁舰烧什么油”的文章,里面我提到过:“辽宁舰和美国的航空母舰都是用蒸汽轮机作为最终驱动。”然而很多人骂我是文盲,他们说:“美国的航母都是核动力,怎么可能用辽宁舰那种老掉牙的蒸汽轮机”。其实现阶段大型航空母舰除了英国“伊丽莎白女王”之外都还是用蒸汽轮机作为最终驱动,不管是常规动力还是核动力。当然,蒸汽轮机和老式的蒸汽机是两回事,不要看到“蒸汽”两个字就联想到一百多年前的蒸汽机,更不是用烧煤的那种锅炉。这是一个电站用的蒸汽轮机

下图为船用核动力系统的一个简单示意图,核反应堆→蒸汽发生器→主汽轮机和汽轮发电机→减速器和螺旋桨,这就是核动力系统的大概的流程。为什么我开头说没有理解核能和核动力系统的真正含义?我们都知道“核裂变”会产生非常巨大的能量,然而这些能量都是以“热”的形式出现,所以其实所谓的核反应堆只是一个“产热”工具,他的本质作用和烧锅炉是一样的。这样仅仅产热的核反应堆是不能直接让主轴和螺旋桨转起来的,这样就需要一个介质,那就是“蒸汽”,利用核反应堆热量将水变成高温高压蒸汽,然后这些蒸汽冲击蒸汽轮机叶片,叶片带动传动轴由减速器传递给螺旋桨,这才是核动力航空母舰的本质。下图2是常规动力蒸汽轮机驱动大概流程,其实我们可以发现不管是核动力还是常规动力画红框部分其实基本差不多,只是前面产热部分不一样。


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看一下核动力推进的一个基本原理图吧:

核反应堆内的核材料裂变释放热量,将水加热到高温状态形成高压水蒸汽。水蒸气被导入到两个蒸汽涡轮机内。

蒸汽涡轮机被水蒸气推动开始旋转。其中一个涡轮机直接链接到了齿轮箱内,驱动航母的主轴转动给航母前进带来动力。

另外一个涡轮机的主轴连接到发电机上,为航母提供电力。

这就是基本的核反应堆推进原理了。


最上面的图片实际上是一个核潜艇的推进方式,其实和航母没有区别,只不过核潜艇只有一个螺旋桨这样从原理图上看得更清晰一些。


航母的反应堆要远大于核潜艇的反应堆,提供的推力达到20万马力以上。

当然了,推力大了,反应堆的体积以及外围设备也就都要比潜艇大很多了。


军武数据库


航母核动力到底是什么原理来驱动的呢?读者朋友们好,兵器知识谱来为您解答有关核动力的问题。核动力航母的动力来源是内部安装的核反应堆,核反应堆是利用核燃料进行可控核裂变发生的核物理链式反应产生能量的装置。其本质与核电站用来发电的核反应堆没有区别,工作原理都是将核能转换为热能,热能转换为动能,因此航母核动力反应堆可以视为核电站反应堆的小型化装置。下图为正在插入燃料棒的核电站反应堆,核能发电的原理和我们平时“烧开水”没有实质上的区别

世界上几乎所有大型船舶的动力系统都是采用蒸汽轮机作为发动机,包括常规动力航母和核动力航母。常规动力航母的动力系统使用燃油作为燃料来燃烧产生能量,这些能量又将锅炉内的水加热至蒸发,输送系统将高温蒸汽输送到蒸汽轮机内驱动叶片转动,蒸汽轮机输出的功率带动螺旋桨转动做功推动航母前进,这就是常规动力航母的驱动原理。下图为正在总装的大型蒸汽轮机

核动力航母的驱动原理基本与常规动力航母相同,唯一的区别是产生能量的燃料为核燃料。核反应堆中的链式反应能够产生大量热能,这些热能将循环系统中的水加热蒸发生成高温蒸汽,余下的环节就跟常规动力无异了。不管是烧油的常规动力系统还是核动力系统,它们的核心作用都是为蒸汽轮机提供驱动所需的高温蒸汽,都是将热能转换为功率的一个过程而已,燃油不可能直接直接做功产生动力,核燃料也一样;即便是采用全电力推进系统的核潜艇也是需要核反应堆发电然后用电力驱动电动机提供动力的。下图为已经完成加工的航母螺旋桨

当然,大型船舶所使用的的蒸汽轮机与早期的蒸汽机是不一样的,蒸汽机是通过蒸汽驱动活塞运动做功,功率输出很低;而蒸汽轮机则是利用高温蒸汽驱动内部那些如同航空发动机的叶片高速转动做功,从而输出强大的功率为大型船舶提供充足的动力。这也是海上巨兽航母能以32节高速在海上风驰电掣的原因,一般的燃气轮机船舶是赶不上航母的。常规动力系统最大的优点是安全,缺点则是需要频繁加油,高度依赖补给船和基地,每次加油(满油)需要装载近8000吨重油,如果再加上舰载机所需的航空燃油,那么一艘航母光燃油一项就要承担10000吨载荷。核动力系统的优点恰恰完美地弥补了常规动力系统的这些缺点,总重仅为200吨的核反应推及其系统所产生的能量就足够为航母提供足够的动力了,而且理论上反应堆内的核燃料足够航母使用到退役,这也是军事强国对核动力趋之若鹜的原因。但是缺点也很明显,那就是安全问题,如果核反应堆发生核泄漏,那将是影响深远的灾难性后果。下图为我国研发的航母用核反应堆

核动力航母不需要像常规航母那样频繁添加燃料,那是不是核动力航母的使用成本要比常规动力航母低呢?恰恰相反,核动力航母的使用成本是常规动力航母的两倍以上。理论上核反应堆内的核燃料足够航母使用一生,但是为了让核反应堆系统安全平稳运行,往往每十年就要更换一次核反应堆。你没看错,是更换整个反应堆而不是像核电站那样只跟换燃料棒!航母上的反应堆为了确保100%的安全,燃料棒和控制棒是密封在反应堆里的,所以更换时只能将整个反应堆换掉。每座反应堆的造价大约十亿美元,如果在加上处理和保存这些废弃反应堆的费用,那么每更换一座反应堆的花费将达到20亿美元,航母上两座反应堆一个更换周期下来的花费几乎足够再造一艘新航母了。下图为正在进行反应堆吊装工程的美军核动力航母

既然核动力航母的使用成本如此之高,那么军事强国为何还要下血本发展核动力呢?我们以我国辽宁舰来例举说明。辽宁舰在没有补给舰伴随的情况下自持力仅为47天,即使有补给舰的伴随补给燃油,续航力也只有区区两个月;而核动力航母不受燃油制约,可以在海上长时间执行战备任务,伴随的补给舰仅为其提供航空燃油和弹药、食品等物资的补给,可以大大提高整个航母编队的续航能力。因此,为了提高战斗力,这个高昂的成本是军事强国愿意承担的。军队考虑问题的出发点是“一切为谋打赢”,如果高成本付出能够打赢战争,那么这种付出就是有价值的。这也是为何只有军用大型船舶才使用核动力的原因,倘若民营船舶也使用核动力的话,恐怕经营所得利润都不够一次反应堆维护的开销。下图为核燃料棒的结构


兵器知识谱


核动力航空母舰,他的核反应堆是如何为航母提供动力的呢?实际上核反应堆和常规的重油锅炉一样,它的功能都是烧热水而已。无非就是核反应堆的效率更低,并且不用担心油耗吧,其他的没区别。

上图是美国航母反应堆的示意图


基本流程就是,裂变产生的高温直接加热一回路的淡水,将这些水加热到一百多度的高温以后,因为这些水是被堆芯直接加热的所以说不可能直接使用,毕竟里面有着大量的放射性元素,接着就是用一回路与二回路进行热交换,加热二回路的水。

再然后产生的蒸汽,通过高压蒸汽管道传输往航空母舰上面的蒸汽轮机,高压蒸汽推动蒸汽轮机运转,并产生动力。



接着就是变速箱上了,再往后就是连接上航母的那几个大轴。

这也是为什么说常规动力航空母舰的功重比药更好的原因。毕竟常规动力航母是中友,或者说其他燃料用来烧热水,蒸汽以后直接到汽轮机就行了....最简单的不是一点半点,毕竟核动力航母总不可能单纯的把这些暴露出来吧?

你还得给他来个钢壳,为了保证安全,再来从铅板,为了保证安全,再给他上层水泥壳。

这一来二去,重的不是一点半点。所以功重比就很难看。

的确,航母还需要配备大量的重油管道,但是还要考虑到,在很长一段时间之内,舰用重油都是作为航母防雷体系中的一部分而存在的.......

当然轻型航母使用的是燃气轮机,燃气轮机归根究底就是喷气式发动机......所以说原理直接上这个图的。

无非就是轴长点.....


啸鹰评


驱动的原理是核裂变释放能量,加热水蒸气驱动涡轮蒸汽机运转驱动螺旋桨。航母,是海军力量肌肉代表,是强国海军的代表。和普通民用船只不同,航母在起飞舰载机的时候,需要顶着风跑出超过30节的高速,这就需要一颗强有力的心脏来提供动力输出。而且随着航母的吨位不断增大,对动力系统的要求也越来越高,需要动力更强,持续性更强的动力系统。



现代船舶多用的能源种类很多,从简单的汽油机动力,到复杂的核动力,天然气动力应有尽有。其中核能是一种相对特殊的能源,像美国的核动力航母,充一次核燃料可以跑几十年,拥有着任何一种能源都达不到的超强持续性!美国甚至还玩过灾难过后城市停电把航母开过去当充电宝使的骚操作。随着人类核裂变可控技术的发展,核能从最初的原子弹已经发展到了如今的船舶动力,甚至还有人提出可以将核能运用到汽车上。

先来说说军舰的发动机吧。

大型军舰用燃气轮机,中型舰艇的话土豪一点的国家用燃气轮机,稍微穷一点的用燃气轮机加高速柴油机的联合动力系统,吨位再往下的舰艇则多使用的是高速柴油机。美帝的10万吨级核动力航母发动机用的就是蒸汽轮机。蒸汽轮机也分为两种,一种是原始的往复机械结构蒸汽机,另一种就是目前航母上使用的涡轮蒸汽机。蒸汽轮机有着3个明显的优势,第一,单机功率大;第二,工作稳定,摩擦部分少,所以可靠性高,寿命长;第三,因为不是内燃机,对燃料的要求较低,基本上只要能够燃烧就能驱动蒸汽轮机。


燃气轮机是一种外燃机,原动力是汽轮机,燃料在锅炉燃烧室中燃烧,随着温度上升,锅炉中的水汽化成高温高压的水蒸气分为两个部分。一部分沿着管道进入到涡轮系统推动涡轮旋转,涡轮带动螺旋桨高速旋转。另一部分进入发电机推动发电机转子旋转,为航母其他部门供电。而多余的水蒸气则进入冷凝器重新变成水,进入下一个循环,为航母持续提供动力。核反应堆的作用就是蒸汽轮机的油箱,铀-235在反应堆中不断裂变,释放大量能量,加热锅炉,使水蒸气汽化。

目前世界上拥有核动力航母的国家有两个,一个是美国,还有就是法国。法国的核动力航母比较勉强,排水量4万吨左右,用的是两座核潜艇的反应堆,功率不足,导致其航速非常尴尬,被喷得体无完肤。美帝的核动力航母就比较牛逼了,世界上没有一个国家能在航母上挑战美国的权威。

我国已经在70年代初研制成功核潜艇,已经熟练掌握核反应堆作为动力源的技术。目前我国的航母发展非常迅速,第一艘国产航母已经完成至少四次海试,003航母也得到新华社的官方确认,其分段已经在有序建造了。目前还没有任何消息表明我国正在研制核动力航母,不过目前核动力破冰船已经正在研制,按照目前我国技术发展进度可以推断,核动力航母不远了,用不了多久,属于种花家的航母也能遨游在大海之上。


赤焰哒哒哒


其实简单一点核反应堆就是一个用来产生蒸汽的设备,目前航空母舰采用的核反应堆都属于压水堆。核反应堆用来传递热量的介质是淡水,这些水受热之后变成了水蒸气,然后通过管路被输送到蒸汽轮机。蒸汽轮机就可以把水蒸气的热能转变成机械动力。

有许多人这么形容核动力,就是把普通燃料烧锅炉变成利用核反应堆产生热量烧锅炉。而其中非常关键的就是蒸汽轮机,因为所有的动力转换都是需要通过蒸汽轮机来实现的。要说到蒸汽轮机的原理其实跟航空发动机类似。



蒸汽轮机可以带动发电机产生电能,或者直接通过变速箱传递给螺旋获得船舶运动的动力。许多人以为核反应堆能够直接产生电能,其实这是一个误区,包括民用核电站都是采用这种方式来进行的。


目前先进的航空母舰都已经采用全电推进,这就是省去了从蒸汽轮机到螺旋桨之间的一个机械能的传递。世界上第一艘使用全电推进的核动力航空母舰是美国的福特级福特号航空母舰。


航空视界




砚田剑影


因为不是太专业,只能假设:航母上应该有辅助发电设备,也就是几组柴油机发电设备。用来提供应急供电。

这里最主要的是核反应堆,包括:反应堆堆芯,一次冷却循环,二次冷却循环,防护系统。

核反应堆芯的链式反应使用中子棒或者叫稳定棒插入核燃料堆芯内抑制链式反应。

当然核反应可以产生大量剩余蒸汽,这也是主流航母使用蒸汽弹射的原因吧?

一次循环有人说是软水,也有说是液态金属流。二次循环一般是海水淡化水。(这里要说一艘军舰一般要带至少三种水,一种是机器用的工业软水,一种是淡化海水,一直陆地补给的可以饮用的淡水。工业软水和淡化的海水都不能饮用。)

反应堆通过链式核反应产生具有热量水蒸汽被一次循环泵压到热能交换器里由二次循环泵将被热能交换器加热成高压蒸汽的蒸汽送到蒸汽轮机里带动蒸汽轮机转动蒸汽轮机主轴连接转速差转换器带动螺旋桨和他的主轴转动。

这里一次循环和反应堆链式反应都是在防护罩内完成,一次循环是闭合循环剩余携带热量的蒸汽会经过二次冷却回到反应堆内进行再次加热加压。


红猪的翅膀


目前,世界上使用核动力航空母舰的最多的国家是美国,在美国海军系列中总共有11艘航空母舰,这些航空母舰全部使用核动力。世界上第一艘核动力航空母舰是美国的企业号。目前正在美国纽波特纽斯造船厂进行拆解工作。

核动力航空母舰与常规动力航空母舰有很大的区别,核动力航空母舰在整个服役期那只要进行两次和核燃料的补充,常规动力的话,基本上在很短的时间就要补充燃料。



目前,核动力航空母舰采用的核反应堆是属于压水反应堆,其传递能量的介质就是淡水。核反应堆产生的是热量,这些热量传给水就变成水蒸气,水蒸气可以用来驱动蒸汽轮机,蒸汽轮机就可以带动螺旋桨或者驱动发电机了。


本质上核反应堆就是一个用来产生热量的装置,然后这些热量用了产生水蒸气而已,到这步之后就与常规动力没有区别了。


飞猪涨姿势


和其它舰船比如核潜艇核动力破冰船等都是一样的。其实连核电站也是同样的原理。简答的说,就是利用一级回路里传导热量的工质把反应堆芯核燃料产生的热量交换给二级回路里的水,在蒸汽发生器里产生蒸汽,推动蒸汽轮机驱动(机械传动或电传动)螺旋桨推动舰船前进。一级回路的工质一般是水,所以这样的反应堆叫压水堆。但工质也可以是其它物质,比如苏联核潜艇就用过钠冷堆,更具效率,但由于钠冷堆管路安全风险比较大,已被俄罗斯放弃,压水堆是当今世界主流。航母、核潜艇、甚至核电站的压水堆基本原理都是一样的,区别主要在大小也就是紧凑程度。




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