为什么核潜艇上的反应堆不能用在航母上?

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核动力航母,是我们大家一直期待和关心的核心装备。目前世界上只有美国、法国有核动力航母,而拥有核潜艇的却有中、俄、美、法、英、印等多个国家。

潜艇核反应堆能放大移植到航母上使用吗?答案是可以,但效果非常差。美、法两国都做过尝试,说起来都是眼泪。

核潜艇、核航母反应堆从原理上来说是相同的,都是成熟的压水反应堆。高压轻水从反应堆一回路中带出热量,在蒸汽发生器中变成高温高压蒸汽,推动汽轮机做功。

上世纪50年代,美国第一艘核动力航空母舰“企业”号,使用由核潜艇S5W反应堆基础上发展来的A2W反应堆。因单堆功率太小(35000轴马力),所以装了8台才将功率堆到28万马力。

当然,1台大功率发动机和8台小功率发动机并联效果肯定不一样。每一个反应堆都需要冷却输出管路,各堆间还存在配合联动问题。8个反应堆占了大量空间,浪费大量吨位,将企业号航母撑的又大又长,效果还一般。

▲“企业”号航母

所以美国只造了一艘就放弃了,转而加大单堆功率。到第3代A4W反应堆,功率达到13万马力。在“尼米兹”上装了2台,26万马力让10万多吨的航母飙到32节。

法国也这样干过。“戴高乐”号航母装备与“凯旋”级战略核潜艇相同的k-15反应堆,单台功率41500轴马力。本应多装几台,但造价太贵钱不够只装了2台,导致航母先天心脏病,最大航速才25节,舰载机起飞都吃力。功率、航速甚至赶不上前一代“克莱蒙梭”级常规动力航母(12.6万轴马力,32节)。

▲“戴高乐”号航母

潜艇反应堆不能简单移植到航母上原因众多:

1、单堆功率小。潜艇受耐压壳限制内部空间小,反应堆尺寸小功率也小。

“洛杉矶”S6G反应堆3.5万马力;“海狼”级S6W反应堆5.2万马力;“俄亥俄”级S8G反应堆功率最大,也不过6马力。放到尼米兹航母上要4~8台,数量越多结构越复杂,故障率越高,维护越复杂。谁家的航母也不想天天大修吧。

▲法国“凯旋”级核潜艇K-15反应堆舱段

2、反应堆发展方向不一样。

潜艇强调隐蔽性、静音性,反应堆首推自然循环。核潜艇有三大噪声源:一回路主泵、减速齿轮箱、螺旋桨。

自然循环技术,让核潜艇低速巡航时,不开主冷却泵也能通过循环将热量带出来,噪声大大降低。为提高循环效率,美英潜艇采用紧凑分散布局,法国潜艇则采用一体化布置。一体化反应堆取消管路,蒸汽发生器纳入压力容器内,体积小,循环效率更高。

▲一体化反应堆

但航母不考虑静音,也不在乎一体化设计,人家需要能长时间运转,大功率输出反应堆,为舰载机提供支持。和潜艇反应堆的发展方向完全不同。

3、潜艇水下巡航多,工况变化小,反应堆低功率时间多。航母在水面航行,环境复杂,经常要全功率运行。

核潜艇反应堆输出饱和蒸汽,蒸汽参数低,K-15堆蒸汽压力2.5Mpa。而航母需要高压过热蒸汽,尼米兹航母的过热蒸气压强达8.45Mpa。

4、核燃料更换是大问题。

核燃料更换时间与堆芯设计、燃料富集度有关。美英俄等国新一代核潜艇已基本实现“舰堆同寿”,服役期间无需更换。法国反应堆燃料富集度低,k-15反应堆每10年左右就要更换燃料。

航母吨位大,燃料消耗多。除“福特”级航母外,其余航母都要定期换燃料,“尼米兹”航母约13年换一次。

换核燃料可不像加油那么简单,要将反应堆压力容器拆开,潜艇耐压壳拆除,才能用专业设备更换。

危险不说,时间还很长,核潜艇要3~5个月(加上排队要1年),“尼米兹”换燃料加检修长达35个月。“林肯”号航母换一次燃料,足足折腾了4年多才重新服役。

这还是航母专用堆,如果是N台潜艇反应堆,那维护保养、更换燃料工作量可就大到不可想象了。所以美、俄舰用反应堆都是分开的,各自朝向不同的方向发展。

目前,压水反应堆仍是舰用反应堆主流。等未来高温气冷反应堆、离子反应堆成熟后,舰用反应堆可以做得更小更安静,效能更高,推动核潜艇、航母更快发展。


和风漫谈


我来回答,看完本文就明白了。反应堆并没有规定必须用在航母上或者核潜艇上,只是研究人员根据核反应堆的出力、工作环境等参数来评估一具核反应堆适不适合安装在航母上,现实中有将核潜艇用反应堆直接搬上航母的例子,法国的戴高乐号已经通过实践证明了这种行为的不可取性。

图释:法国戴高乐号航母

当年法国为了节约经费,并没有研究专门的航母反应堆,将两座K15核潜艇用反应堆直接搬上了航母,结果航母一出生,就患上了先天性“心脏病”,速度不能太快,最多达到25节,连常规航母速度都达不到。而且几乎是三年出海,两年大修。

核潜艇反应堆不能直接用在航母上,主要原因就是出力不足。

核潜艇的排水量较小,核动力反应堆的功率也相对较小,一般5万马力左右,如美国洛杉矶级核潜艇3.5万马力,海狼级5.2万马力,俄亥俄级6万马力,核动力航母则大的多,美国企业号航母大约为28万马力,尼米兹动力航母轴功率大约为26万马力,这是因为尼米兹级航母使用的反应堆数量减少为2座,输出功率无法做到28万马力。

法国海军将两座K15反应堆搬上航母后,戴高乐号出力只有7万马力,相当于小马拉大车,明显吃力。

反应堆的功率为啥不能做的更大了?

反应堆的功率受到两个制约因素,一个是反应堆的形状体积、另一个是核燃料成分,如浓缩度。

核潜艇上的空间相对航母要小得多,反应堆体积要小,对于反应堆的出力要求也不高。为了减少噪声,尽量采用自然循环,减少主泵的运行时间,功率输出密度不需要很大。反应堆体积和燃料的浓缩度都是制约反应堆功率的因素。

图释:临界计算涉及的参数材料和形状。

航母对于空间和噪声没有潜艇要求高,但是也不能将潜艇用反应堆等比例放大后直接利用,如果将反应堆体积增大,就相当于设计了一个新的反应堆,核燃料的装料量以及富集度就需要重新计算,还需要重新试验,需要漫长的周期。

可以通过多安装反应堆来弥补单个反应堆动力上的不足吗

这个方法应该很多人想到了,一个反应堆设计出来后其最大功率已经确定了,功率不足,数量来凑,但实际上多安装反应堆不是容易实现的。

首先,多安装反应堆必然会带来成本上的增加,还会增加后期维护费用,核动力航母三次维护的费用可以新建一艘航母。

图示为核电反应堆和蒸汽发生器,航母用堆和这个类似,只不过体积更小,结构更为紧凑


其次,加入一座反应堆配置3具锅炉(蒸汽发生器),如果采用四座反应堆就有12具锅炉,如何平衡各个蒸汽发生器内蒸气的产生量又是一大难题,增加了工程上控制系统的难度,并不一定能克服此项技术难关,因此实现起来有难度。

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核先生科普


核潜艇上的反应堆理论上是不能用在航母上,因为功率不匹配,但是要强行用也是可以,就是会出现功率不足的问题。法国海军就出现这样的问题,戴高乐号航母使用的反应堆就是K-15一体化压水堆装置,从核潜艇上拿过来的。

结果发现功率太低,戴高乐号的最大速度最多27节,没有达到30节以上的速度,与美军航母相比最大速度差了3节以上。

法国海军戴高乐一直存在这个问题,全部是靠美制C-13弹射器的发挥才勉强起飞舰载机,不然的话阵风战斗机起飞都是一个问题。所以核潜艇的反应堆不能直接拿来放在航母上使用,核潜艇排水量一般是大几千吨,航母动辄4至5万吨,完全不是一个概念。

航母的核反应堆还是要舰用的,重新研发,比如尼米兹级的反应堆就是双堆设计,就两个堆,比企业号的8台A-2W节省了很大的空间。


兵器瞭望台


理论上可以,实际航母反应堆要求更高。主要是航母反应堆对功率要求更高,其次寸土寸金,对紧凑性要求更高。最后体型巨大,很容易被敌方发现并打击,对安全性要求也更高。

另外,虽然核航母有很多优点,可是缺点也很明显就价格昂贵,使用维护成本也高。相对常规航母更经济实惠,所以是否使用核航母,不仅仅是技术问题,还包含经济问题。


千里寻猪


能用在航母上,法国的“戴高乐”号航母用的就是2座凯旋级战略核潜艇的K-15核反应堆,每座热功率150兆瓦。但是反应堆本身不能用来直接驱动推进轴,而且反应堆的热效率比较低,所以和蒸汽轮机配合,实际能够用于最终驱动推进轴的轴功率只有61兆瓦,也就是82000轴马力,这对于4万吨级的航母来说,功率太小了,所以“戴高乐”号的最大航速只有27节。

虽然增加反应堆的数量也能让轴功率达到比较满意的程度,例如美国的“企业”号航母但年就装了8座A2W反应堆,但是这样会带来核动力系统的复杂化。所以,这种做法对于航母来说并不可取。所以美国尼米兹级核动力航母就采用了2座A4W反应堆,每座热功率550兆瓦,这样2座反应堆最终转换成可用于推进的总轴功率达194兆瓦,相当于26万轴马力,这是“戴高乐”号航母远远无法相比的。

所以,现在要发展核动力航母,必须研制专门的舰用反应堆,而不能用核潜艇的反应堆去凑合。(S)


联合防务


核潜艇的反应堆是可以用在航空母舰上的,比如:图片上的法国海军“戴高乐号”航母,但是将潜艇反应堆用在航母上面是投机取巧的做法,不但航空目前的航速被严重降低,也连带着航母总航里程大幅度下降,后果就是不到十年就得更换核反应堆的燃料棒!

核动力航母的反应堆不同于核潜艇的反应堆,要求功率是很大的,而核潜艇的反应堆用在航母上功率输出根本不够!历史上第一艘核动力航母“企业号”使用的A2W型反应堆,就是当时“华盛顿级”核潜艇所使用的S5W反应堆改进而成,但在计算总功率的时候需要安装八座才能满足要求,由于“企业高”是带有实验性质的航母,美军咬牙将八座反应堆安装进去。
图片上就是“企业号”航母所用的A2W反应堆,结构设计比较简单,就是一座“清水反应堆”而且燃料棒的U235含量在35%,远低于1990年代后的全寿命反应堆的93%以上。

虽然八座反应堆是安装进去了,总功率也达到设计要求了,但是过多数量所带来的安全问题、维护保障问题、使用费用问题让美国海军头疼不已!“企业号”的一生都很少参加美国海军的军事行动,因为使用费用远高于“尼米兹级”核航母和“小鹰级”常规航母。
退役后等待拆解的“大E”,据说要耗时10多年,八座核反应堆的处理实在是难上加难的问题!

“企业号”的不堪用让美国海军痛定思痛,在“尼米兹级航母”项目时,单独研制了A4W型核反应堆,总体性能大大的超越了A2W,设计更加的复杂和紧凑,仅用两座就实现与企业号总功率相当!而且在1990年代中期建造的几艘更是使用武器级的核燃料棒,基本上达到了“全寿命”,使“尼米兹级”几乎在整个服役期内不用开膛破肚的去更换核燃料。



“尼米兹级”所用的A4W反应堆的结构图,其先进性远超“企业号”所用的A2W。

法国海军当初上马“戴高乐号”航母的时候军费开资是远远不能和美国海军相比,没钱还要“有架子”,由于舰用“核反应堆”法国没有丝毫的经验(美军除了核航母之外,还有多型核巡洋舰,这就给水面舰艇的反应堆设计积累了不少的经验)加之研制费用巨大,法国只得使用“凯旋级”战略核潜艇上的反应堆,移到“戴高乐号”上充数。

其实“凯旋级”所使用的K–15是先进的核反应堆,但“凯旋级”的排水量在16000吨,而“戴高乐号”排水量4万吨,即便是使用了两座K–15也没使它的航速提高,反而是经常性的输出最大功率使得核燃料棒消耗太快,本来设计的是10年左右,理论上够“凯旋级”用一辈子,但是到了“戴高乐号”上只能用7年时间!
由于反应堆输出功率低,“戴高乐号”没有实现27节的最高航速,只能维持在25节,航速低起不到多大的“甲板风”,舰载机起飞需要弹射器释放出最大蒸汽量才能将“阵风”满负荷弹射。

总之,从“企业号”和“戴高乐号”使用了战略核潜艇用反应堆的效果来看,实在是不尽如人意!看来想要“投机取巧”确实不行,武器装备就是这样,你“糊弄它”,它最终发挥的作战效能就会很差。


皇家橡树1972


可以用,但是不适合。核潜艇和航母的使用环境不一样,受到艇体尺寸的限制,以及对静音等的要求,潜艇反应堆的尺寸和功率一般较小。而航母的尺寸、排水量、所需航速及蒸汽量等方面决定了所用的核反应堆对功率要求较大。非要装的话,也就是能用,但不够用。

其实,除了美国外,其他国家唯一在役的核航母-戴高乐号,用的就是两台凯旋级核潜艇用的k15反应堆,但是功率只有约8万马力。

受到功率的限制,3.8万吨的戴高乐号航母的航速只有25节(也有说27节的),无法进行高速机动,长时间蒸汽弹射的效率也大打折扣。

相比之下,10万吨级的尼米兹号航母用的也是两台反应堆,但是总功率达到26万马力。

这使得尼米兹级的最高航速可以跑到30至31节。但是,即便如此,据说其四台弹射器连续工作16分钟后蒸汽压力便不够,需要消耗25分钟补充。可想而知戴高乐号上那两个小堆就更窘迫了。


深蓝防务


核潜艇堆用在航空母舰上不是说“能不能”,只是“适不适合”而已。如果非要用也不是不可以,只是不太尽如人意而已。下图为“企业”和“戴高乐”的在2001年5月16日在地中海编队

网上一直流传着“核潜艇堆根本不能用在航空母舰上”,并且把25节航速的法国“戴高乐”号核动力航空母舰为例。但是你们为什么不拿美国“企业”号当例子呢?美国的“企业”号采用的是A2W型核反应堆(单台3.5万马力),是以S5W潜艇用核反应堆基础上发展而来的,“企业”号最高航速可以达到37节,并且足够驱动4条蒸汽弹射器的工作。为什么法国的“戴高乐”号就不行呢?因为法国裁减了“戴高乐”的核反应堆数量,原本“戴高乐”计划使用3台K15潜艇用反应堆(单台4.1万马力),也就是设计输出功率达到12万马力以上(“克莱蒙梭”级就达到12万马力的功率,可以达到32节航速),对于4万吨的航空母舰来说这个动力应该说足够了。然而问题就是因为经济问题裁减了1座K15反应堆,这样输出功率降到8万马力,所以就出现了动力不足的情况。说白了,“戴高乐”造成今天这个局面是因为堆数量不够用。所以,核潜艇堆不是不能用在核动力航空母舰上,如果想用那么用着也不是不可以。下图为“戴高乐”K15反应堆

对于航空母舰的动力来说,关键就是能不能达到需要的输出功率,只要能达到预定输出功率那么你用什么那是另一回事,用燃油锅炉也可以。比如上面提到的“戴高乐”号,他的设计是12马力,最终是8万马力,也就是说从根本上就没达到设计要求,至于用3座4万马力的堆还是2座6万马力的甚至1台12万马力的堆其实都可以。再比如“企业”号,单堆功率小那么就用数量来凑,8台3.5万马力的A2W堆可以达到28万马力的输出功率,用起来绰绰有余。所以能不能用关键就是在实际能不能达到设计要求,如果能达到那么就能用,如果不能达到那么就是有缺陷,哪怕专门设计的航空母舰用堆只要达不到要求那么也是“白瞎”的。下图为“福特”级装备A1B反应堆

当然了,我开头也说了:能不能用是一回事,适不适合是另一回事了。核潜艇堆移植到航空母舰上确实能用,但是不一定就是最适合的:

1.单堆过于吃力,降低寿命。核潜艇的吨位通常都控制在2万吨以下,上面提到的K15核反应堆是用在法国“凯旋”级战略导弹核潜艇上的,而“凯旋”只有不到1.5万吨的水下排水量。这些潜艇用核反应堆推动这些“小不点”还算游刃有余,但是推动数万吨的航空母舰就显得很吃力了,最终只能靠数量来堆总功率。单堆长期在这种高负荷的情况下工作也对寿命或多或少有影响。

2.占用空间过大,浪费吨位。上面提到了单堆功率小只能用数量来凑,“企业”号使用了8台A2W型核反应堆达到设计指标,但是这么多核反应堆占据了大量的舰体空间,严重压缩了航空燃油、弹药的携带量。舰体本身为了迁就这8台核反应堆也进行了专门设计,“企业”号的长度达到了342米,到现在为止仍然是世界上最长的航空母舰。这种吨位和空间上的浪费有点“得不偿失”。

3.故障率高且维护时间长。一般来讲数量越多可靠性越差,8台反应堆都需要各自专门的冷却系统,再进行并联或串联,这种复杂结构无疑增加故障概率。而核动力航空母舰每次大修都需要对核燃料进行更换,这会增加维护时间和维护成本。

其实航空母舰堆和潜艇堆追求的方向不同,在设计上自然不太适合互换。潜艇堆一方面是受到潜艇内部空间的限制,对反应堆大小和功率限制住了。另一方面是噪音,因为反应堆一回路循环泵的噪音是潜艇重要的噪声源,所以核潜艇堆设计的时候对噪音控制非常苛刻。但是航空母舰堆追求的功率和持续工作时间,对噪音不需要讲究太多,空间也没有核潜艇那么紧张,所以直接拿来用其实不太合适。下图为“海狼”级动力舱段,使用的S6G反应堆4万马力,不及“尼米兹”级的A4W的三分之一

所以在航空母舰核反应堆上,美国人在建造了“企业”号之后就放弃了直接用潜艇反应堆作为航母动力。在之后的“尼米兹”号航空母舰设计中,美国人最开始计划使用4台核反应堆,但是最终实际只用了2台A4W压水堆,单台功率达到13万马力。之后的“福特”级也是2台13万马力的A1B压水堆。下图为红框的就是“企业”的A2W反应堆和“戴高乐”的K15反应堆,蓝框的是美国发展的专用航空母舰堆


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原理可以用,但潜艇的直接装到航母上有以下缺点:

1、功率小。潜艇吨位与航母差五到十倍,同样功率显然不可能满足需要,再加上航母上弹射器大量的蒸汽需求,更加捉襟见肘。

2、要求有所不同,航母上的空间相比潜艇相对宽裕,可以布置许多附加设备,此外降噪设备在航母上的要求也没有潜艇上苛刻。

还有很多,但都不是主要因素了。


葫芦81310598


航母是可以用核潜艇反应堆,法国航母设计三个K15反应堆,由于资金不足改为两个堆,对航母影响就是动力不足。美国航母也有多堆动力方案。多堆航母缺点就是反应堆占空间大多,影响航母物资携带,美国航母都是用双堆方案。


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