汉唐归来
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瀚海狼山:突破!大船和大黑鱼都可以40年不换料大修了!|2020-06-03

有一种长期以来的说法是:超级大国的核潜艇和核动力航母,因为使用的是从核弹头上拆下来的丰度在91%以上的武器级浓缩铀235,所以该国的核潜艇和核动力航母都是终生不用换料大修。实际上只说对了一小半。目前超级大国已经实现了在弗吉尼亚级后期批次上,确保35年的服役期间,终身不用换核燃料。而弗吉尼亚级的第1和第2批次,包括3艘早年的海狼级,仍然需要中途换一次核燃料。而包括最新的福特级航母,在确定的4045年的服役期间,必须要大修换料一次。福特级的首舰福特号,到2028年就必须入坞大修换料了。弗吉尼亚从第3批次之所以终身不换料,最关键的因素,并不是采用了武器级浓缩铀。而是因为其潜艇反应堆的压力外壳材料更新,强度和耐久性更高。可以确保安全使用35年。

因此不论是核动力航母还是核潜艇,采用武器级浓缩铀当燃料,并不是不需要换料大修的决定性因素。武器级铀235并不能从弹头中拆下来,再原封不动的整体安装到舰船反应堆中。武器级铀235金属块或者钚239金属块,都是高度危险的存在。都可能在外界环境的干扰下,就会突然接近临界状态。超级大国核动力航母和核潜艇上用的武器级铀235,是先将其熔化分散在大量的燃料片中,高度的稀释以后,再安装到压力容器的反应堆中。核潜艇和核动力航母都是用稀释后的燃料片,而不是民用核电站中的传统燃料棒。俄罗斯的现役核潜艇采用45%浓缩铀当核潜艇燃料。其他大国用20%45%的浓缩铀,其含有的总能量密度都是完全足够的,并不比超级大国用91%丰度的浓缩铀差到哪里。只要解决了反应堆的外壳和一回路的耐久性与金属疲劳两大不利因素,都可以实现终身免换料大修。

核潜艇中途要换料,必须切开耐压壳,对核潜艇剩余寿命强度非常的不利。而核动力航母换料,也要对全舰结构进行大面积的切割,不但影响此后的结构强度,还要停止战备使用数年的时间。如果能够解决反应堆核心外壳材料的问题,核潜艇和核动力航母都实现终生不换料,则其意义是十分巨大的。现在谁谁家设计的最新型民用堆,综合技术水平已经达到世界第一,发电效率比国外最先进的堆型提高25%,而燃料消耗却下降15%。在核能技术上,其实军用和民工区别并不大,两者基本是同步的关系。目前在LW工程的各大项都取得了全面的突破之后,不论是大黑鱼还是大船,都已经可以做到至少40年的全寿命不用换料大修,比超过大国的35年潜艇堆的寿命还要增加510年!实际上对反应堆来说,根本上要解决的就是氢脆这个最普遍也是最头痛的技术问题。

所谓的氢脆,是指溶于钢铁中的氢原子,逐步聚合为氢分子,造成应力集中,超过钢材的强度极限,在其内部形成细小的裂纹,最终导致钢制承压壳体的强度不够,出现轻微泄露而必须报废更换。氢脆现象,是当代的石化生产高压反应环境和核动力高压容器普遍面临的大问题。氢脆现象一经产生,就消除不了。就像生物的逐步老化一样不可逆转。压力容器的氢脆会造成材料塑性和强度降低。氢原子在常温常压下,一般不会对钢材外壳产生明显的腐蚀,但当温度超过300℃和压力高于30MPa时,氢脆现象会明显的加速。而舰船反应堆的钢材外壳,在日常运行时,恰恰是面临500摄氏度以上高温和几十个标准大气压的典型高压高温环境。而瀚海狼山(匈奴狼山)在过去的推文中曾经提到过,绝大多数压水反应堆,都会有比较强烈的金属水反应,会产生大量的氢同位素,导致不论是核电站的防护壳内部还是核潜艇的内部,都必须随时有除氢装置工作。

但是核潜艇和核动力航母机炉舱内的除氢装置,日常除掉的都是已经从反应堆系统内部逃逸出来的氢原子,已经结合成的氢气分子。对反应堆内部高温高压环境下的游离态氢原子和氢离子,外界的除氢装置都是无能为力的。高温高压下的氢原子,对钢材的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内部,并在金属内部再结合成分子,产生很高的压力,严重时会导致表面鼓包或皱折;氢离子还会与钢中的碳结合,使钢脱碳,或使钢中的硫化物与氧化物还原。也会让钢制压力外壳老化变脆。反应堆的面壁材料在高温和高通量氢同位素的轰击下,会导致材料表面起泡、溅射腐蚀、形成氢脆,从而破坏金属材料综合性能,缩短反应堆的整体使用寿命。

谁谁家彻底解决这个问题,应该是通过至少两大途径,具体的工艺自然是绝密。狼山在这里只简单的介绍。第一就是采用特殊合金制造反应堆的核心压力容器,在冶炼这种钢材时加入了特种硬金属和稀土材料。第二,则是给这种特殊合金的压力容器的内胆,增加了一层特殊的高性能陶瓷——金属过渡材料,相当于把容易被腐蚀的金属容器变成了“搪瓷罐”,当然这层内胆并非真的是搪瓷材质。这样反应堆内部高温高压下的氢同位素轰击的就干脆不是金属材料。当这层内胆在30年后,终于被轰击穿透时,面临的才是同样耐轰击的特殊合金外壳体。这样两层保护下来,坚持50年不换料大修都没问题。

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