辽宁舰烧重油要花多少钱:航行100万海里耗资20亿元
2020-05-15 

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核动力与常规动力居然是一奶同胞?

目前全世界除了英国人的“伊丽莎白女王级”航母特立独行的采用了燃气轮机加综合电推的动力组合方式,其他所有航母无一例外都是采用蒸汽轮机驱动。蒸汽轮机所用来烧开水的锅炉被分为常规动力的“燃油锅炉”和核动力的“原子锅炉”,二者都是使用锅炉烧开水产生高温高压水蒸汽,然后水蒸汽冲击汽轮机叶片,从而带动转子另一端的螺旋桨运转,最后推动航母前进。人们为了区别烧开水的方式,于是就诞生了核动力航母和常规动力航母的的说法,殊不知两者其实不过是一奶同胞的兄弟罢了!

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核动力其实也是驱动蒸汽轮机

美军尼米兹级航母的主动力虽然看似是两具A-4W反应堆,但是真正最后做功的却是4具总功率约26万马力的蒸汽轮机。现在有人质疑并嘲讽蒸汽轮机落后,完全就是无稽之谈,连最先进的尼米兹级和福特级都使用这种动力,动力充沛,经济实用的蒸汽轮机在未来很长很段时间仍然是大型航母的首选动力,又何来落后一说?

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福特级航母剖面图,最下方为核反应堆

问:核动力航母的续航有多恐怖?

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反应堆的运转原理以及核动力航母如何调整自身航速?

虽然同样是烧开水,但是与传统燃油锅炉的直接点燃重油就开煮不同,原子锅炉是同时具备两个回路系统的,而且反应堆内的热水并不直接参与蒸汽轮机的运转。反应堆内一回路中通常放置的是高洁净度的纯净水或者重水,这些水也被称为冷却剂,当反应堆开始运转产生大量热能后,这些冷却剂水就循环不断地将热量持续带走,并在这一过程的尽头传导至二回路,二回路中的水就被加热并产生蒸汽,而后蒸汽在经过蒸汽轮机的增压喷嘴后,就会高速喷射至转子叶片,从而带动转子旋转,以此推动螺旋桨旋转和航母航行。

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舰用核反应堆结构原理图

航母航速主要取决于螺旋桨转速,而螺旋桨转速则取决于蒸汽的产量,燃油锅炉可以通过增加减少燃料的加入量来控制火势大小,从而准确把握蒸汽的产量,以此来调整航母航速,那么高大上的原子锅炉是怎么进行这样的操作呢?核心就是传说中的反应堆控制棒!航母反应堆主要是临界状态核燃料进行自发的链式裂变反应,而核裂变主要原理就是热中子轰击铀-235原子,而后铀原子炸裂后又释放大量中子,以此循环往复,所以要减缓或者终止核裂变,只需要控制中子数量即可,而这就需要反应堆控制棒登场了。

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链式核裂变反应过程

反应堆控制棒通常是由硼、镉、碳化硼、银铟镉这些对中子吸收能力强的材料制造而成,当控制棒完全插入反应堆芯底部时,中子被全部吸收,反应堆处于停堆状态,当拔出来一段时,部分中子被释放出来,反应堆小功率运转,当控制棒完全拔出来时,反应堆则满功率运转。所以只需要调整控制棒的插入深度就能够控制蒸汽的产量,进而操控航母的速度。

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核反应堆控制棒

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一艘航母采用何种驱动类型,这必须是在设计之初就定好的。常规动力航母不可能重新改用核动力驱动。目前世界上拥有航空母舰的国家有8个,在所有现役的航母中,大约有12艘核动力航母,除了一艘法国4万吨的戴高乐号核动力航母外,剩下的就都是美国的核动力航母。美国是第一个搞核动力航母,也是历史上建造最多、现在拥有核动力航母最多的国家,目前有现役10艘尼米兹级和1艘福特级核航母,而且都是10万吨的超级航母。

核动力航母的优势何在?

核动力相对于常规动力最大的优势就是续航性能的无限提高,原子锅炉燃烧一千克铀235释放的能量约等于2500吨煤炭或者2000吨柴油。美国最后一型常规动力航母“小鹰级”最多能够携带7800吨舰用燃油,可以让满载排水量8万吨的“小鹰级”以20节的经济航速连续航行1.2万海里,高速32节时则只剩下4000海里的续航能力。而现如今的尼米兹级和福特级航母因为采用了核动力,理论上可以支持航母以最高时速无限航程尽情狂奔,所以一旦热点地区形势突变,美军航母总能第一个赶去镇场子,这就是核动力的优势。

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企业号航母和长滩号巡洋舰进行无燃料补给环球航行

与民用电站的核燃料棒有所区别,舰艇用反应堆体积小,功率大,更换维护困难而且成本较高,因此为了尽可能的减少燃料棒的更换周期,就必须提高燃料棒丰度!相对于民用丰度仅为3.5%的核燃料棒,军用舰艇反应堆的核燃料丰度都高的离谱,法国戴高乐号航母上使用的铀燃料棒丰度为20%,尼米兹级铀燃料棒丰度为40%,而俄亥俄级核动力潜艇甚至是直接使用丰度在90%以上的武器级铀235,有的甚至是直接从退役核弹头上拆解下来的!

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浓缩铀

一般来说,一次性能够装入反应堆的燃料棒丰度越高,质量越大,更换核燃料的周期也就更短。各项数据表明,戴高乐号航母平均更换一次核燃料的时间只有7年,这和它照搬核潜艇动力导致小马拉大车,能耗太高有着莫大的关系。而尼米兹级更换一次燃料平均时间则达到了15年,在更换燃料的同时还可以进行大修,算是一波美滋滋的操作了。而福特级因为采用了新式的A1B反应堆,燃料更换周期大幅提高到40年左右,也就是说在福特级航母整个服役期都不需要进行任何燃料补给,这已经是逆天存在了!而这种天生优势也正是美军将其水下潜艇以及水面航母全部转换为核动力的最大动力!

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俄罗斯核潜艇进行核燃料棒更换

核动力航母和常规动力航母其实本质上都是蒸汽轮机驱动,而蒸汽轮机说句不好听的就是高级版烧开水,只不过一个是用油炉烧开水,另一个则是用原子炉烧。常规动力航母的油一般是热值较高,安全性高,廉价的石油副产品重油,而所谓核动力原子锅炉则是利用核反应堆进行铀235燃料棒的裂变反应释放热能,加热锅炉。(航母蒸汽轮机动力原理)

除美国和法国之外,苏联也搞过一艘核动力航母,1143.7型乌里扬诺夫斯克号核动力航母,这艘航母于1988年开始建造,苏联解体后被分给了乌克兰,1991年11月彻底停工,最后以150美元/吨的废铁价格拆解出售。1143.7型航母安装4台KN-3核反应堆,带动4台蒸汽轮机,单堆功率达到了惊人的305兆瓦,总功率为24万马力。

核动力也并不单纯!

核动力航母虽然名曰核动力,但其实也是配置了常规动力装置的,而这些常规动力装置通常是用作应急,以备不时之需!美军装备最多的尼米兹级航母一共拥有4个直径为6.4米的5叶大倾斜螺旋桨,而每个螺旋桨的驱动轴除了连接蒸汽轮机之外还另外加装了一个8000马力的大功率柴油机,一旦核反应堆出现停堆或者其他突发事件,总功率达到3.2万马力的4台柴油机依旧可以推动航母慢速航行,在和平时期可以免于兴师动众呼叫紧急救援的尴尬,战争时期则不至于因为抛锚而沦为敌人的固定靶子!

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福特级航母螺旋桨传动轴内部特写

既然都是烧热水,我们只需要比较二者之间所能释放的能量多少就能直观的得出结论。一千克铀235所能释放的能量值约为8.2×10 ^13,相当于2700吨煤炭燃烧所释放的能量,而一千克煤约释放29MJ能量,而一千克重油约释放31MJ能量,所以一千克铀235燃烧后释放的能量约等于2000吨重油!也就是说一艘常规动力航母即使装载1万吨燃油,其实也不过相当于核动力航母的5千克铀235而已!两者差距,可以说是天壤之别!

美国从1961年开始服役企业级核动力航母,陆续又搞了10万吨机的尼米兹级和福特级超级航母。美国尼米兹级航母的核反应堆,经过了一系列的复杂论证后,尼米兹级航母最终采用2台功率各为13万马力的A4W型反应堆,总功率比小鹰级的常规动力和企业级的核动力的28万马力要低。不过企业级采用了8台A2W型反应堆,单堆功率较低。

以我们最熟悉的辽宁舰为例,它的动力为4台国产化的TB-12蒸汽轮机和8台增压锅炉,采用四轴四桨推进,总功率约20万马力。辽宁舰的燃油舱最多能够搭载约8000吨重油,在以32节的最高速度航行时,能够一次性航行约3850海里(7130公里),而以18节的经济航速航行时,它的续航力能够达到7000海里(1.3万公里)。这样的续航力已经足够辽宁舰在西太平洋的广大海域尽情驰骋,但是如果要进行全球部署作战,即使搭配上最新的901型补给舰进行伴随燃油补给,仍旧是有些力不从心!(辽宁舰)

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