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【軍事博評】William:中國兩種核動力海上平台 為未來核動力艦隻「試水」?

2016年展示的中國核工業集團兩種海上核能發電平台。(網絡圖片)

 


根據南華早報3月21日報道,中國廣核電力股份有限公司所批出的「核動力海上平台」正準備招標建造。他們也引述專家所言,指這有可能是一條核動力破冰船,並作為未來核動力水上艦隻(如核動力巡洋艦或航母)的試驗平台。


4年後中國至少有三艘極區大型破冰船,由左為分別為雪龍號、現正舾裝中的雪龍2號,以及去年已招標完成、等待開建的大型核動力破冰船(雪龍3號?)。(網絡圖片)

 


不過報道似乎有很多問題,因為事實上去年中國核工業集團有限公司(同是國務院持有股份的國企)也出標建造「核動力破冰保障船」。對於極區利益不多,而且將擁有兩條大型破冰船,中國可沒有需要建造同時兩條核動力破冰船吧。


至於報道給出的數據也很奇怪,如屬實,這世界任何一條30000噸級的船都沒可能有18米吃水!要知道美國尼米茲級核動力航母的後期型(10萬噸)吃水也只是10.8米深,排水量達23萬噸的綠洲級超大型郵輪都只有9.3米的吃水;這世上只有30萬噸以上的超級油輪或貨櫃輪在最重載狀態下,才有可能超過18米吃水啊!


這條九華山號VLCC油輪吃水深約21米。大約只有運油的油輪才有這種吃水,而且這種船很多港口都沒法進入。(網絡圖片)

同樣是今個月,亞洲時報報導了中國核工業集團將於今年開工建造首個海上小型核能發電平台,並預計於2021年建成。(網絡圖片)

 


更奇怪的是其反應堆輸出數據與航速不成比例!報道指該船擁有兩個熱功率200MWt的小型反應堆(註1),兩機組總輸出電力約50MWe(換轉成馬力相當於67000匹),航速11節。問題卻是,這個熱堆發電效率似乎比較低(中國陸上堆和其他國家一樣,發電/動力輸出相當於熱功率的1/3左右),而且常規重型破冰船的速度普遍有18-22節,更何況是核動力?30000噸的貨輪滿排時只用10000匹馬力都跑出12-14節了,而俄國OK-900A反應堆只有171MWt熱功率,兩個堆的馬力輸出卻可達75000匹啊。所以,這個核反應堆平台只有兩個可能性:使用綜合電推系統進行中央管理,只有少量電力分配推動電動機航行;或者推進系統根本不是用核能,而是後備的中、低速重型柴油機。


正於莫曼斯克的核工廠裝載燃料的羅曼索諾夫院士號,年底可開始發電。(網絡圖片)

 


由此推斷,這東西有可能和羅曼索諾夫院士號(世上第一個大型浮動核能發電平台)一樣,都是核能發電平台 (而且),而且有可能和中核建2016年時的構想一樣,備有後備柴油機,可以隨時拔錨「走人」,不用勞煩拖船;另方面,文中那個平台的「吃水」和羅號的型深也十分接近,可能記者就是將型深(moulded depth)當成吃水來理解。


型深(moulded depth)是指由乾舷甲板到龍骨的高度,可見其一定比吃水大至少一倍。(網絡圖片)


福特號核動力航母的A1B型反應堆,號稱有42.5年的燃料壽命。亦即是說,假設其服役60年,只需要更換一次核燃料而已。(網絡圖片)


核能水上平台能為核動力船艦試水


無論是今次這個核動力水上發電平台,還是去年6月中國核工業集團標書所提出的核動力破冰保障船,都是中國核動力水面平台的首次嘗試,之前的都只是核動力潛艇而已。由於盛傳大型核動力航空母艦的前期預研工作已上馬,甚至在中船重工的網頁上已講明會研製核動力航母,有人相信此時不少核動力船舶建造計劃的出現,正好拿來作為軍用核動力艦隻動力系統的驗證。不過小弟對這種看法有非常大的保留,這主要是基於民用船舶核動力系統和軍用的比較起來仍有巨大的差異,而且發展過核動力軍艦的國家幾乎也從來沒有(也不需要)經歷這個「試水過程」。


對於核動力軍艦而言,最大的重量負擔不是反應堆,而是非常笨重的蒸氣渦輪機組。(網絡圖片,照片為安泰級重型核動力水下導彈巡洋艦)


1. 軍用民用核動力系統差異巨大:


先要搞清楚的是,如果中廣核的平台就是一個推進系統獨立的海上核發電設施,那由於不涉核動力推進,根本就不在本文討論範圍。一般人以為軍用核動力系統和民用常規推進比起來是「奇想天外」的設計,實際情況事實上並不差太遠。無論水面艦還是潛艇,所用的仍是蒸氣渦輪系統,由熱源煮熱蒸氣,再將高壓蒸氣導向渦輪機,使其高速運轉。這和一、二戰的重油鍋爐氣輪機沒什麼本質分別,唯一分別是鍋爐區換成核反應堆,以產生飽和蒸氣而已。


鈾鋯合金燃料粒,裏面混入30-65%的二氧化鈾燃料,鋯遇熱膨脹率較低,而且結構穩固,可以困住核反應後的生成物,讓它們無法滲進一次循環水中。(網絡圖片)

 


然而核動力軍艦用反應堆與民用船反應堆在規格上確有很大的不同:在燃料方面,由於鈾235富集度愈高,提煉費用高昂,過去的核動力民船只會使用富集度較低的濃縮鈾燃料,由3.7%至20%左右;相對而言,軍用核燃料則以20%為起跳,達到美軍標準(註2)93%左右(唯一例外的是,法軍戴高樂號航母的鈾燃料富集度約7%)。用富集度更高的核燃料,能量輸出可以更高,不但有助加速軍艦 / 潛艇的輸出功率改變及反應速度,而且在同樣馬力下,反應堆及其核燃料的體積(與重量)可以造得更小,而且更換核燃料的時間間隔可以更長:一般低濃縮鈾反應堆要1.5至4年停機換燃料一次,而俄國核潛艇已能造到10年換燃料一次,使用富集度極高核燃料的美軍更可做到30年以上才需再裝入燃料。對核潛艇而言,這已等於直到退役都不需要換燃料了!由於民堆與軍堆在推進部分上沒有大分別,但在反應堆部分卻有重大差異,甚至連操作都大有不同,在民船上裝反應堆是否可以作為裝備軍用反應堆前的練手工作,確是疑問。


世上首兩艘民用核動力船隻,分別是蘇聯的列寧號破冰船(左)及美國的薩凡納號核動力客貨運船(右)。如今這兩艘船都已成為博物館了。(網絡圖片)

 


2. 核動力軍艦發展史上並未出現「先試民船、再用於軍艦」的情況


由已發展核動力水面艦的三國(美、蘇、法)經歷得知,他們根本不需要以水上平台作為水面艦核動力系統試驗的載台:他們走的路子,其實就是「陸堆上艦」及「潛堆上艦」兩條。


隷屬Knolls原子動力實驗室的核能訓練中心,也是海軍試驗設施。圖中的巨球就是D1W驅逐艦用核反應堆的保護殼。(網絡圖片)

 


美國主要就是玩「陸堆上艦」。美國發展海上反應堆之初,能源部就於愛達荷州國家實驗室設立海軍反應堆設施(NRF),作為試驗新式反應堆及培訓反應堆操作人員之用。該地歷年以來即設置了航母用A1W, 潛用S1W與S5G反應堆陸上試驗堆;紐約州尼什卡納鎮的Knolls原子動力研究中心(同為能源部擁有)就有另外四部不同時期研發的陸上堆,作為各型新船用核反應堆的試驗設施。當實驗完成後,這些堆稍經改良,就直接裝到核動力艦船上(或者以相關技術資料回饋設計中的船用堆)。Knolls現在仍是活躍的研究中心,A1B及S1B型新世代核反應堆亦在此開發,故現在這裏仍是高度機密地方,相關資料與新聞都十分少


NRF設施高空圖(左),中間是人類第一個船用/潛用反應堆陸上試驗堆S1W,右面是另一個潛艇堆試驗用陸上堆S5G。(網絡圖片)

 


有人指出在企業號完成之前,美國已建造核動力商船薩凡納號(NS Savannah),所以企業號也有參考該船的操作經驗;事實上即使薩號是早於企業號開工,反應堆也較早達到臨界,但正式運行卻還比企業號遲了3個月,而且反應堆無論在單堆輸出功率、集成度及所用燃料富集度上,都遠遠差於企業號上的A2W型反應堆,設計差異也極大,根本談不上軍艦參考民船的運行經驗。


興建中的CVN-65企業號核動力航母(也是人類第一艏核動力水面艦),其八個A2W反應堆(右)剛剛封好頂蓋。1959年時由於反應堆才剛剛達到最大單堆37500匹的水平,故企業號一口氣上了八個堆,方能維持足夠馬力。(網絡圖片)

 


法國玩的「潛堆上艦」,發展路徑大約就是在陸上先設試驗堆,運作成功後就搬上潛艇,至發展水上艦時直接以潛艇堆(尤其是大馬力的)直接搬上軍艦上使用。法國在80年代設計他們第一艘核動力水面艦-戴高樂號航母時,為節省研發經費,直接使用凱旋級SSBN的K-15潛艇反應堆。這反應堆雖有達41500匹的軸馬力,但兩台加起來也只有83000匹。戴高樂級即使在噸位上被壓縮到只有4萬噸(戰後建造第二小型彈射起降航母),仍然只有27節極速;加上7年就要換燃料棒一次(至少要半年時間才能完成),實大幅削弱她的前進部署能力。


模型顯示戴高樂號反應堆的位置。留意載高樂號的反應堆K-15型已經將一次循環的蒸氣發生氣整合到壓力容器的頂部,結果圖中標示的都是二次循環蒸氣發生器。(網絡圖片)

 


蘇聯的玩法比較「奇特」,其第一套水面艦用核動力系統為KN-3反應堆(這也是到現時為止唯一一套,由機械製造試驗設計局(OKBM)製造),一直有指它是先在列寧號破冰船上的OK-150演化而來,是「民堆上艦」的實例。然而,經由俄國公開資料及研究論文顯示,KN-3和OK-150基本上沒有關係,例如反應堆燃料棒完全不同,OK-150的燃料規格只是民用核電廠的二氧化鈾燃料粒,鈾235富集度也只有5%。


OK-650型的原型是VM-5型反應堆,早於1966年就裝上661型核潛艇上(該艇仍保持潛航速度世界紀錄)。和其他蘇聯潛用反應堆一樣,OK-650的圖片很少,網上最多見到的是集成後的反應堆模組。不過可能由於兩者都是OKBM接近同期的產品,由部分設計廠方提供的剖面圖顯示,其集成模式、結構及周邊設施(如高壓氣樽)放置位置仍和稍後出現的OK-900很相似,尤其是泵與蒸氣發生器的相對位置而言;我們甚至可以由年份及設計上斷言OK-900就是參照了VM-5 / OK-650的設計及集成模式。(網絡圖片)

 


KN-3表面上是由1967年開始設計、1970年裝機的第二代破冰船用的OK-900系列反應堆發展而來。你或者會認為這也是「民堆先試水」的先例。然而有兩點要留意:首先,OK-900不是單純的民用反應堆,其結構十分緊湊,布局集中,幾乎就與OKBM 60年代中期設計的潛艇用反應堆(如VM-4及稍後的VM-5 / OK-650)一樣,可以集成在一個模組內直接吊運裝進船內,甚至可以說是變相的「潛堆上民」;其次,KN-3與OK-900系列更接近軍堆民堆共同發展模式,OK-900首次裝上列寧號破冰船,但還未有足夠資料可回饋設計時,蘇聯部長會議就於1971年決定使用該系統結構,並配置另一個大型反應爐VM-16,作為設計中的基洛夫級核動力導彈巡洋艦的反應堆。VM-16不但體積更大,而且也用了第三代潛艇反應堆共通的技術,例如使用鈾235富集度更高(45%)的核燃料同時,也使用更緊湊的鈾鋯合金燃料粒,這些燃料粒抗腐蝕性高,而且在反應堆正常溫度中膨脹很小,安全度更高;甚至有資料指VM-16就是VM-5的加大版。考慮到後來繼續發展的民用堆OK-900A同樣用上高富集度鈾皓合金燃料棒,幾乎和軍用堆沒有分別(只是燃料裝載量較少),其實也是算一種「潛堆上艦」的典範。


由基洛夫級的VN-3核動力機組構造圖(左)及OK-900核容器、冷卻泵及蒸氣發生器的結構圖得知,兩者基本上是同一個系統,只是所用堆芯不同而已,而由所用核燃料及反應速度得知,OK-900更像是個用在民船上的軍用堆。(網絡圖片)

VN-3反應堆原將作為80年代以核蘇聯核動力水面艦的標準配備,基洛夫級及未成航母烏里揚洛夫斯克級將分別配備2至4組反應堆。(網絡圖片)

 


無論如何,由以上資料可見,過去其實並沒有利用民船用反應堆為軍用核動力推進系統「試水」的例子,事實上也沒有必要:潛艇堆在空間限制上比船用堆更苛刻,性能也比一航民用核動力船舶要高強,如果一個國家也能設計並成功運用的話,空間冗餘更高的水面艦用堆就更不是問題。餘下的問題就只是:你願不願意投下更多金錢發展馬力需求更大的水面艦用反應堆罷了。


 


小結:


現時中國能源需求大增,然而若仍然繼續使用煤碳,不但環境成本非常高昂,而且隨之而來的跨境污染問題可能令與鄰國關係進一步緊張,故「以核代煤 / 油」可是勢在必行的趨勢,所以除陸上核電站外,以小型模組反應堆(SMR)為核心各種海上核平台,也會愈來愈多,這不只是中國的能源趨勢,更會是世界趨勢,這是因為這種小堆不但價格較低、容易建造、容易處理,5-10個合起來的能量亦堪比大型反應堆,而且能量及核燃料裝載沒那麼大,潛在安全問題亦會比大型陸上堆小得多。不過如果因此以為中國軍用核能發展會同樣提高,就有點「聽風就是雨」,畢竟,軍用環境對於反應堆的質量、燃料豐度、系統集成度(空間)等要求都比民用堆嚴格(註3),雖然兩者技術有不少共通之處,但就難度而言幾乎是另一條路發展道路。


 


註1:雖然暫時不知道是用哪種反應堆,但由規格來看,規格其實更像中國核工業集團搞的ACP25S小型模組化反應堆。


註2:美軍使用的核燃料在成份上仍是機密,但就現時所知,似乎是一種以鋯合金混和的陶瓷化而富集度高的二氧化鈾微粒。單就質量與密度而言,這可比鈾鋯合金更進一步提高高濃縮鈾的含量,甚至可達實際上的60-70%,而又不會令裂變反應物容易離開金屬燃料粒。


註3:以現時發電量最接近核動力航母要求的ACP-100s為例,其不但還是比尼米滋級的A4W在單堆發電能力上有相當距離,而且它原本就是民用堆,用的是低豐度的核燃料,且高度還是太高(因為一次循環是集成在壓力殼上方),對核電廠而言雖已高度小型化,但還是塞不進6萬噸級航母的輪機艙內。


 


參考文獻:


1. Nuclear Marine Propulsion, by M. Raghed, 2/2019


2.Russian Nuclear Power Plants for Marine Applications (NKS-138), Nordic nuclear safety research


3. World Nuclear Association:Nuclear-Powered Ships


4. 60 Years of Marine Nuclear Power: 1955 – 2015 Part 3: Former Soviet Union & Russia, by Peter Lobner, August 2015


5. 〈烟道下的玄機-基洛夫重型核動力導彈巡洋艦動力系統詳解〉,施展,《海陸空天慣性世界》第193期


 


 



https://www.litenews.hk/?p=68703

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