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核反应堆工作原理其原理是什么?它是如何运转的?

更新日期:2021-02-21 22:33:58 信息编号:Z1982

核心提示:不少军迷提起核动力航母,总是给人一种高大上的感觉。诚然,现在世界上只有美国能建造并使用核动力航母,俄罗斯连唯一的“库兹涅

不少军迷提起核动力航母,总是给人一种高大上的感觉。诚然,现在世界上只有美国能建造并使用核动力航母,俄罗斯连唯一的“库兹涅佐夫”号都搞不好,更谈不上去搞什么核动力了,中国还在技术储备之中。当然,法国也拥有一艘核动力航母——夏尔.戴高乐号,但法国人说那太费钱,还不如规规矩矩搞常规动力的。 今天我们就揭开核动力航母的神秘面纱,看看其原理是什么?它是如何运转的?


“西奥多.罗斯福”号核动力航空母舰(尼米兹级)

美国现在有10艘尼米兹级和1艘福特级核动力航空母舰,实力可以说是吊打世界其他各国。

说到核动力,其实本质上就相当于一个可控的小原子弹。以铀235或钚作为原料发生链式反应,在核反应堆内发生核裂变,进而产生热量,热量将水变为蒸汽后推动汽轮发电机发电和推动螺旋桨。原理很简单,做起来很麻烦。首先,这个“小原子弹”,必须是”可控的“,否则就是原子弹了;其次,如果发生意外该如何处理?比如说如果航母爆炸,总不能任其由大火吞没吧;最后,如果航空母舰不用了,如何关停它。

说说在核反应堆里发生了什么吧。核反应堆的燃料是铀235,当足够的铀235被加入核反应堆时,就会发生链式反应,看吧,就是这个样子:


链式反应,蓝色小球为中子,红蓝色大球为铀235

在每次撞击时,即铀235吸收一个中子后,裂变成一个溴85核和一个镧148核,同时放出1-3个中子。铀235的质量为235.124,溴85的质量为84.938,镧148的质量为147.96,中子的质量为1.009。

因此裂变前的质量总和为:235.124+1.009=236.133;

裂变后的质量总和为:147.96+84.938+3×1.009=235.925;

裂变过程中质量的减少为:236.133-235.925=0.208。

那这些减少的质量都到哪里去了呢?这就需要爱因斯坦的那个著名的方程式了:

E为能量,即核反应堆中产生的热量,m是反应时损失的质量(上面公式的结果0.208),c是光速(约为30万公里/秒),简言之,每次中子撞击铀235大约产生200兆电子伏的能量。

请注意:在中子撞击铀235时,可能产生1-3个中子,上图中示意的是产生一个中子的情况,计算时是按照产生3个中子的情况计算的。


航空母舰核反应堆工作原理简图


A2W航空母舰核反应炉

再谈谈如何控制链式反应。控制链式反应的目的是既要发生链式反应,又需要链式反应在一个合理范围内,不至于爆炸成为一个原子弹。想要达到这个目的,首先来说,核动力航母需要坚硬的反应炉。其次来说,需要控制链式反应的速度,否则再坚固的外壳也将被核反应炸毁。

控制链式反应的方法就是控制中子的数量,具体来说就是用能吸收中子的原料做成控制棒,吸收中子。吸收中子的材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。另外未来将核裂变的热导出来,反应堆必须有冷却剂,常用冷却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。

根据核反应堆的工作原理,改变中子密度和中子数将改变链式反应的速度,从而控制核反应堆的功率。如果想使核反应堆减慢工作,只要将控制棒插入反应堆即可,控制棒吸收大量中子后核反应自然会减慢甚至停止了。

之后的事情就好说了,控制了核反应堆,使中子在可控范围内不断撞击铀235从而产生热量,产生的热量进入发电机发电,也可以直接”烧开水“推动螺旋桨使航母前进。

这时,总有军迷会问:那如果航空母舰受到攻击,发生爆炸怎么办?如果暂时不用,停泊港口怎么办?

发生意外事件爆炸,美国人已经想出办法:临时措施是直接向大气排放高压蒸汽,然后撤底停堆。其实这种情况倒也不是没有发生过。1969年,美国第一艘核动力航空母舰企业号由于舰载机悬挂地导弹受尾焰炙烤发生爆炸,虽然此次事件造成了”企业号“严重受损,并造成了28人死亡,但奇迹地是经过2个月地维修,”企业号“又安然出现,继续执行任务。


美国”企业号“核动力航母爆炸

如果停泊港口呢?那分两种情况:暂时停靠还是长时间停靠。如果暂时停靠港口,那需要向港口接一段高压线,由航母向陆地输送电力,就是说将反应堆生产地多余能量向陆地输送。如果航母需要检修而需要长时间停放,那就需要停堆了。具体做法是先停主机,回路设备,再将所有控制棒插入堆芯,熄灭链式反应,最后慢慢到达低温状态。这个过程需要持续1-2个月。

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