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液态金属的血液--美国对于液态金属冷却核反应堆的初期研发

液态金属的血液--美国对于液态金属冷却核反应堆的初期研发

在潜艇用核反应堆研发的初期,曾经有三种反应堆同时进行研发(压水堆、液态金属冷却反应堆、氦气冷却反应堆),而且在最初的核潜艇上实际装艇运用的,有一种被认为最具发展前景和性能最强大的类型---液态金属冷却反应堆(中能中子反应堆)。装备这种反应堆的核潜艇,无不以猎杀对方的核潜艇为目地,由此可见液态金属冷却反应堆对比压水堆取得的巨大优势。液态金属反应堆对比压水堆,具有导热性能好、热效率高、功率大、反应堆设计紧凑且体积小、可以自然循环且噪音小等特点,因此这种反应堆被处在争霸状态的两个超级大国同时看中,并且投入了实际的研发装备。

液态金属的血液--美国对于液态金属冷却核反应堆的初期研发

早在1947年6月,美国启动核潜艇反应堆设计的最初阶段,通用动力公司就改变了核反应堆的研发方向,把主要精力放在了液态金属冷却反应堆的建设上,并且向海军提出建议:核动力装置应当使用液态金属钠或者是钠钾合金来传递热能,美国舰船局随后拨款数百万美元以支持该项目的发展。1952年初,通用动力公司在西米尔顿建造了SIR-A型陆地实验模式堆,正如“鹦鹉螺”号核潜艇的反应堆陆地测试时一样,SIR-A反应堆也被安装在一个模拟的潜艇动力舱段中,1955年3月,SIR-A反应堆开始启堆,并于3月20日进入了临界状态。即便当时美国海军已经决定在首艘核潜艇上使用更加成熟稳定的压水堆作为动力,不过截至到1958年,已经有大约2.25亿美元被用于研发液态金属冷却反应堆。

液态金属的血液--美国对于液态金属冷却核反应堆的初期研发

1952年7月21日,美国海军和电船分公司签订了建造第一艘液态金属冷却反应堆核潜艇的合同,代号为SSN-575;1953年9月15日,SSN-575号核潜艇在电船分公司正式开工,该艇在1955年7月21日建成下水,命名为“海狼”号。“海狼”号核潜艇上装备的反应堆是S2G型液态金属冷却核反应堆,该反应堆在1956年6月25日进入了临界状态,开始核反应。S2G型反应堆以铍作为部分慢化剂,使用液态金属钠作为冷却剂。来自于液态金属反应堆所具有的优势,“海狼”号核潜艇主机在使用过热蒸汽时,水下航速可以高达30节,足以实现对攻击核潜艇的猎杀,同时由于他搭载了性能较“鹦鹉螺”号核潜艇更好的声纳设备,因此其对潜艇的搜索能力也更强。

一切看起来都是非常顺利的,一种性能更加强大的自然循环反应堆,一种大功率小体积的先进堆型,眼看就要在人类的初代核潜艇上实现其应用价值了,不过悲剧此时才刚刚开始。

相比于压水堆,液态金属冷却反应堆可以提供有效的热传递,然而其冷却剂—液态金属钠在流经反应堆的时候,就会产生核辐射,而压水堆的冷却剂是水,同时也可以作为隔离辐射的慢化剂。因此液态金属反应堆必须要在反应堆外再包裹一层固态铍作为屏蔽层,这样增加的重量将会远远超过抽水泵和汽轮机上省下的重量;而且在实际使用中,一旦有水偶然流入反应堆内部,就会与钠产生剧烈的反应,并且,热交换器管系复杂,任何一个点的泄漏都会导致水和钠直接接触。这种潜在的巨大风险是一个定时炸弹,而另外一个使用中的问题也同样导致了早期液态金属冷却反应堆的技术问题,那就是不论是在航行状态还是在靠泊状态,其反应堆内的液态金属都必须保持在一定的高温状态,以防止其凝固,这就对平时的维护和保养造成了困难。

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由于以上各种潜在问题,在实际使用中,这种反应堆就麻烦不断。在1955年7月,用于陆基液态金属反应堆实验的SIR-A反应堆就发生了过热器泄漏事故,主蒸汽发生器也发生了泄漏。由于蒸汽发生器问题难以解决,1956年1月,陆基实验堆SIR-A被做了封堆处理。安装在“海狼”号核潜艇上的S2G核反应堆也是一样,在其第一次试航之前就发生了一次液态金属钠冷却剂泄漏事故,可怕的核辐射在核潜艇上多个舱室蔓延,在对“海狼”号核潜艇上的核反应堆进行了修理后,美国海军决定不再使用过热蒸汽,改为使用饱和蒸汽驱动主机,因此本身反应堆模式带来的优势就被抵消掉了,其使用功率仅能达到设计功率的80%。核潜艇的水下航速也被放慢到了20节。

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S2G型反应堆一直运转到了1958年12月,在这期间,由于事故频发,因此其输出功率一直被限制,也从未参加过作战巡逻。该反应堆使用第一次核燃料总共航行了23个月,总航程7万多海里,随后就被忍无可忍的美国海军放弃了。经过计算,要替换“海狼”号去新建造一搜核潜艇,需要花费4700万美元,替换一座核反应堆则只需要2000万美元,因此在1958年12月12日到1960年9月30日期间,“海狼”号核潜艇拆除了S2G反应堆,换上了和“鹦鹉螺”号相同的压水堆。

美国早期对于液态金属冷却反应堆的探索就此告一段落。

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