原理是烧开水
核动力航母驱动原理其实和常规动力航母没什么区别,无非就是烧开水的方式不同罢了,核动力使用的是“原子锅炉”,而常规动力航母使用的则是“燃油锅炉”,但是归根结底二者都是一种被称为蒸汽轮机的动力装置,原理都是通过烧开水然后产生高温高压的蒸汽,通过蒸汽驱动气轮机运行,最后推动螺旋桨旋转。
以美军尼米兹级航母为例,它的动力装置就是两具西屋电气公司生产的功率各130000马力的A-4W反应堆以及4具蒸汽轮机,所以别再说什么蒸汽轮机落后了,核动力也不过如此!
航母用核动力反应堆虽然是烧热水,但是与传统的燃油锅炉不同,它具有两个回路系统,并且反应堆烧的热水并不直接生产水蒸汽。反应堆的核燃料棒发生核裂变反应释放出大量热量,这些热量会加热反应堆中的高压纯净水,这些纯净水通常被称为冷却剂,在被加热后会由冷却泵推动至蒸汽发生器,然后将热量传导至二回路中的水,这些水被加热后产生水蒸汽,然后水蒸汽经由轮气机的狭小喷嘴后增压增速,最后喷射至轮气机叶片使其转动,轮气机主轴转动后带动螺旋桨旋转,推动航母前进。
那怎么控制航母的航速呢?航母的航速取决于螺旋桨的转速,而这个转速又是由蒸汽的产生量决定的,蒸汽的产量则是由反应堆燃料棒的核裂变速率决定的,那怎么有效控制燃料棒的裂变过程呢?这就需要说到插入反应堆中心的控制棒!核反应堆控制棒通常是由硼和镉这些容易吸收中子的材料制造而成,当它完全插入反应堆中心,由于吸收大量中子会让反应堆停止裂变反应,而抽出一点就能让反应堆低功率运转,如果要增加反应堆功率,那就再拔出一点,减少吸收中子量,让更多中子参与裂变反应,这样就能产生更多热量和水蒸汽,也就直接提高了螺旋桨的转速和航母航速,所以核动力航母的航速实际上是由反应堆控制棒的插入深度控制的!
使用核动力的好处显而易见,一公斤铀235燃烧产生的能量相当于2500吨煤炭,因此核动力航母具备了几乎无限续航性,1964年美国的“企业”号航母就曾经在全程不进行燃料补给的情况下,用64天完成了全球航行!
(企业号核动力航母与长滩号核动力巡洋舰环球航行)
但是与民用发电站的核燃料棒(二氧化铀陶瓷芯块)不同,航母因为体积相对狭小,换装核燃料棒相当麻烦,而且成本极高,因此一次装填燃料最好能做到像福特级一样永久性不更换燃料棒,即使再次也要如尼米兹级一样13年才需要换一次燃料棒,这样做自然减免了核燃料棒繁复的燃料棒更换过程,但是这也要求核燃料棒的铀235丰度特别高!
(航母核反应堆)
民用发电站的铀棒只需要达到3%的丰度就行了,而航母和核潜艇所使用的则是高浓度铀甚至是武器级铀,比如尼米兹航母的A-4W压水反应堆使用的是丰度40%的铀燃料棒,而俄亥俄级核动力潜艇则使用的是丰度在90%以上的武器级铀。
(俄罗斯失事的库尔斯克号核动力核潜艇中的核燃料棒)
除了核动力装置之外,为了防止单一的动力装置出现故障,核动力航母通常还会配备备用常规动力,以防不时之需!尼米兹级航母一共有四个五叶螺旋桨,在每个螺旋桨驱动轴上都配备了一个功率8000KW的柴油机作为备用动力,在核动力反应堆出现故障时就可以马上启动柴油机运行,未雨绸缪,有备无患!