核潜艇的原理

【专家解说】：核潜艇的核秘密来源于核反应堆。核反应堆是核潜艇的动力之源。正是因为核反应堆的出现才使潜艇成为真正的“海中蛟龙”。 　　潜艇的生命之堆 　　核潜艇是以核反应堆作动力源的潜艇。由于核反应堆的功率远远超过常规潜艇，使得核潜艇的吨位可以很大，航速也可以很高。例如，美国的“洛杉矶”级攻击型核潜艇，反应堆功率2．6万千瓦，航速32节。核潜艇一次装料虽然数量不多，但可使用数年甚至20余年，而且不需要氧气。因此，核潜艇的续航时间和距离几乎不受限制，核反应堆发出的电能源源不断，可以为艇上武器使用和人员生活提供充足的电能。潜艇上无线电发射、声纳发射和水声通话系统所需的电力主要就是靠核反应堆提供的。 　　核潜艇上提供氧气的主要设备是制氧机。如果核反应堆停止运转，制氧机就会由于没有电力而失去作用。另外，潜艇上使用的淡水也是从海水中提取的，提取时也必须靠核反应堆提供电力。还有潜艇上的空调、照明等用电，更是一刻也离不开核反应堆提供的电力。 　　所以，如果核反应堆停止运行，核潜艇就不能再前进了，艇内各舱都会变得一片漆黑，艇员在潜艇中的生活也会十分困难。因此，人们都认为核反应堆是核潜艇的“生命之堆”。 　　取之不竭的核能 　　按照核反应方式的不同，可以将核反应堆分为核聚变反应堆和核裂变反应堆两大类。核聚变反应堆是利用轻核之间发生聚变反应释放能量的核反应堆。核裂变反应堆是利用重核裂变反应释放能量的反应堆。核裂变反应堆按照不同的核装料和核装料所处的状态可以分为不同的类型。目前，世界各国核潜艇上的核反应堆主要是压水堆。正在研究的堆型有气冷堆、快中子堆、熔盐堆等。所谓压水堆，是指以普通水为导热介质，使水处于高压状态的核反应堆。在当今的地球上，还没有哪一种能源能与核能的密集度相媲美。正因为如此，核装料并不太多的核反应堆却能以其巨大的能量推动核潜艇前进。 　　火热的燃料芯块 　　核潜艇的核燃料，一般都是经高温烧结的圆柱形二氧化铀陶瓷块，即燃料芯块。其堆芯周围充满了作为慢化剂和冷却剂的水，而且还有一层反射层，以便传递热量并将堆芯泄漏出的中子反射给堆芯，以提高核反应的效率。这些材料都装在一个耐高压、高温的压力壳内，构成了核潜艇的核反应堆舱。 　　燃料芯块在发生裂变反应后，产生的热量首先传到芯块表面，然后传到包壳表面。最后，由包壳表面传给冷却剂———水。 　　核潜艇在正常工作情况下，芯块产生的温度比火苗的温度还高。堆芯的热量传给水后，压力壳入水口处的水温约为293℃，出水口处的水温约为329℃，堆内的压力为150多个大气压。在这一压力下，水的沸点为345℃，所以，核反应堆内的水是不会沸腾的。这就是人们将核潜艇的核反应堆称为压水堆的原因所在。 　　神奇的控制魔棒 　　高温高压水离开核反应堆后，就进入蒸汽发生器，将蒸汽发生器管外的水加热成蒸汽。所以，整个核反应堆就像一台大锅炉，但这台“锅炉”的“锅”与“ 炉”分开了，核反应堆相当于燃料的“炉子”，蒸汽发生器相当于“锅”。“锅 ”与“炉”之间通过循环泵及管道连在一起。 　　那么，核反应堆是怎样调节其反应速度，以满足核潜艇运动时快时慢要求的呢？ 　　根据核反应堆的工作原理，如果改变堆内的中子数和中子密度，就可以改变核反应的剧烈程度，从而改变核反应堆的功率。核潜艇是用控制棒和化学控制两条途径来控制核反应堆反应速度的，从而使核潜艇做到快慢自如。 　　按照这一原理问题就简单了，若想使核反应堆停堆，只需将控制棒完全插入堆芯中即可。这样，由于控制棒吸收了大量中子，堆芯就会由于中子数量不足而使裂变反应难以为继，核反应自然就会减弱或停止运行了。 　　严密的防范措施 　　由于核反应堆一般不能轻易停堆，所以，核潜艇在静坐海底待敌时，其噪声要比同样条件下的常规潜艇大得多。当核潜艇失事沉入海底后，由于海水长时间的不断侵蚀，潜艇的外壳和反应堆舱外壳很可能会慢慢失去对核反应堆的保护作用。那么，核反应堆内的放射性物质就会外泄，从而污染周围的海区。目前，世界各国由于失事的核潜艇静卧在大洋深处，随着时间的推移，它们都会不同程度地污染周围的海水，许多海域自然会变成核垃圾场。当大量核废料一旦失去保护层时，核污染将会十分严重。不过，由于核反应堆中二氧化铀是固化在陶瓷块内的，这些陶瓷块与水接触时不易起化学反应，所以即使核燃料棒破裂，二氧化铀也很难扩散到周围。 　　同时，为了防止核反应堆发生爆炸，核潜艇的控制棒在紧急情况下能够迅速插入堆芯底部，使核反应堆停堆，此情景在许多电影“大片”中都有演示。例如，当冷却系统出现问题后，堆芯的温度就会由于不能迅速冷却而升高，这样，就很可能使核反应堆熔化，甚至爆炸。为此，核潜艇反应堆舱内设有温控系统，当反应堆冷却剂的温度超过允许值时，温控系统将信号传给控制棒驱动机构，控制棒便会在几秒钟内迅速插入堆芯底部，使核反应堆停堆。停堆后的核反应堆逐渐冷却，自然就不会发生爆炸了。