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核裂变 核裂变和核聚变的应用?

今年的2月9日,美国的两个航母战斗群在我国南海展开所谓的双航母行动。近年来,美国在我国南海动作频频,但是举行这样的军事演习还是第一次。然而面对这样的挑衅和试探,中方的态度依然只是“严厉警告”。这样的结果自然会让人觉得不痛快。但是一个很现实的问题,在海上,中国的战斗力并不能占到上风。

尼米兹级核动力航母

这次现身南海的航母战斗群,是两艘尼米兹级核动力航母。

而拥有核航母的,目前只有法国和美国。因为法国的“戴高乐”号核动力航母是用核潜艇上的核反应堆改装的,排水量不大,搭载两座K15压水核反应堆,最高行驶速度仅有26节。实用性不强,最大的价值估计就只能是可以吹嘘“好歹我们也是有一艘核的航母”。所以,美国拥有的核动力航空母舰力量独占鳌头,一骑绝尘。所以,对于核动力航母来说,单单这个名字就具有很强的震慑作用,就像我们拥有了原子弹,就能使其它国家对我们忌惮了不少一样。

戴高乐号核动力航母

那么,核动力航母与常规航母相比,有哪些厉害的地方呢?为什么中国到现在也没有一艘核航母?今天我将从以下几个方面进行讲解。

航母的性能介绍

我们首先对航母做一个简单了解。航空母舰作为一种武器,它本身是没有什么攻击力的,它最大的特点是防守。它非常的结实,它的舰体采取的是模块化重隔离,十分牢固坚固,并且设计了反鱼雷空间。可是,如果防守是它最大的用途的话,那显然不足以使这么多国家费尽心力地去建造它。

航空母舰犹如一个穿着盔甲、全副武装的巨人。巨人的力量可以忽略,可是那围绕在他身体周围的战甲却是战斗性能的核心所在。这件战甲包括导弹巡洋舰、导弹驱逐舰、攻击型舰艇,当然还有最重要的舰载机。由此可见,这件战袍上的每种组件都需要燃料,还需要炸弹、鱼雷、导弹、火箭等武器。而要控制这些装备,还需要一个指挥中心,即舰岛。

尼米兹级航母舰岛

以上讲的是航母的战斗力,我们再来看的航母承重力。舰岛中有数十位工作人员,这些人的数量才是整艘航母中工作人员数量的很小的一部分。不包含航母本身的重量。以美国的福特号为例,它的船体是重型钢铁结构,有400万磅的焊接金属,1300万英尺长的电缆,9万多个管道零件。整艘船有数百万个部件,零部件和材料的数量超乎想象,最复杂的重型机械设备重达5000吨。

很显然,这么多的负重对航母的排水量是有很大要求的。航速也不能低于30节。除此以外,航母所搭载的舰载机升降时所需要的配套技术和设施也至关重要。比如舰载机降落后用于减速的阻拦索,还有起飞,中国用的是滑跃起飞方式,起飞速度慢,耗时长(而美国拥有蒸汽弹射技术)。

蒸汽弹射起飞

而要保证这些舰艇的作业,还需要足够的燃料。而常规动力航母与核动力航母的最大区别,正是在于燃料。今天,我们对核动力航母优势的分析便主要是从这个角度进行的。

动力系统

锅里的水沸腾起来后,产生的蒸气能够将锅盖顶起来,并发出噗嗤噗嗤的声音。以前用木柴烧火,用大锅煮饭。掀开锅盖的时候,如果不留心就会被锅内腾腾的蒸汽狠狠熏到。如果是放一个风车在排气孔上方,便能看到风车被蒸汽吹动。

不管是常规动力航母还是核动力航母,它们都是利用了这种蒸汽动力。只是航母上不会用风车,而是用汽轮机。汽轮 机被蒸汽吹动,转动做功,然后带动螺旋桨的转动。

航母发动机

常规动力航母与核动力航母的运转和工作都需要燃料,可是燃料的材质却天壤地别,这也直接造成了常规动力航母与核动力航母之间各种性能上的巨大差异。

常规动力航母,烧炉子的燃料是油,而核动力航母的燃料是核。核的威力是众所周知的,美国往广岛和长崎两个城市丢原子弹,产生的超越灾难级的后果,使人们到现在都谈核色变。

原子弹爆炸后的惨状

核武器的原理是核裂变(第一代原子弹)或聚变反应(氢弹)。核动力航母的动力来源是核聚变链式反应,是由中子碰撞铀235或钚239,使其原子核裂开产生能量。

这些能量正是核动力航母的能量来源。美国的尼米兹级核动力航母和福特级核动力航母,它们都有两个核反应堆,核反应堆中加入原料铀235或钚239,铀235或钚239在这里发生核裂变后产生的能量。

铀—235分子图

但是核裂变所产生的的能量中,含有大量的光热辐射、冲击波和感生放射性,这也是核武器的超强杀伤力和破坏性所依仗的。所以,核裂变产生的能量需要一个转换过程。核动力航母的动力系统中,就比常规动力航母又多了一个这样的转换装置,即热交换装置。

核动力航母的核反应堆,可以源源不断地产生蒸汽。在航母行驶的过程中,蒸汽动力要用来推动汽轮发电机发电和螺旋桨转动。

核动力发动机

而这又意味着更加强大的电力供应,尤其是更加先进的电磁弹射。正像上文讲到的,中国尚无此项技术,但是为了提高作战能力,那么电磁弹射就会是以后的发展方向。另外,还有电磁轨道炮、激光武器、超大阵面式相控阵雷达技术,它们的耗电量都是不容小觑的。

而当它停泊的时候,蒸汽自然也不能浪费,还可以用来发电。美国尼米兹级核动力航母使用的两个西屋(公司名称)A-4W反应堆,每个的功率几乎可以达到140000马力,最大发电功率超过5万千瓦,提供的电力会在舰上长达100千米的主电路内输送。尼米兹的排水量超过十万吨级,本身的本身用电量就相当于一个威海市的用电量。

核航母的空间优势

航母并不是在家门口防御,而是要用于海上作战。在海上作战,现代各国的策略又是讲究以空制海。所以航母的杀伤力在于它配备的舰载机和护卫舰队、防空导弹、雷达技术。

作战飞机本身很难长时间、远距离飞行,而航空母舰等于为战机提供了一个海上机场,以供其修整、添加燃料。因此,母舰上的燃料装载量便极其重要。每艘航母除了巨大的负重量外,还需要非常多的空间。

以核裂变产生的能量为原料,意味着核动力航母不再用得到柴油或重油,这又意味着舰载机可以拥有更多的燃料。除此以外,两个核反应堆所占的空间也小了很多,所以还可以装载更多的弹药。

核动力航母恐怖的载机量

对于航母来说,最核心的战斗力就是舰载机,舰载机的数量和性能就决定了一艘航空母舰的战斗力。舰载机需要燃料,而核动力航母可以提供更多的燃料,持续作战能力和效费比方面优势就会十分明显。还以尼米兹级为例,其舰载机用燃料的搭载量达到了近8500吨,航空弹药携带量几乎为3000吨;这些足够尼米兹级的舰载战斗机按照140架次的出动率使用一周。

而我国山东舰的燃料使用,舰载机用燃料几乎接近6000吨,航空弹药也需要约2000吨。还有山东舰本身需要消耗大量的燃油,正常状态下每天消耗不少于1000吨重油,而山东舰携带重油数量不足1000吨,大约只是8000吨,出海后大约每隔6天就要进行一次油料补给,这就意味着山东舰的出航必须得考虑到油料补给,活动范围受到了极大的限制。而且每次出航近万斤的油料消耗消耗,费用极高,成本极高。

山东号航母

核动力航母的航程优势

核动力的动力资源是巨大的,这使航母具有更好的灵活性和更大的发挥空间。核动力航母的连续高速航行能力是很强大的,核动力更换一次燃料可以连续航行20到50年,这意味着航母对基地和后勤支持的依赖度弱了很多。而常规动力航母,却要事先在各国建立燃料补给网。

不仅如此,速度上的优势也很明显。这就意味着核动力航母可以更快到达战区。虽然常规动力航母的速度也可以提高到相当水平,但是却需要额外的时间补给燃油,对燃料补给站的依赖性强。而且,燃料补给站的燃油储藏还有被攻击毁坏的危险。

国产飞鲨舰载机

现实和技术问题

最后来讲下,核动力航母有这样的无可比拟的优势,为什么我国没有建造呢?这段时间,大家也在对正在建造的003航母是否使用了核动力进行了猜测。

我们这里不参与猜测,只是提供出来核动力航母与常规动力航母的优劣势对比。上面一直在讲核动力航母的优势,但正如高收益往往伴随着高风险一样,核动力航母也是一样,有它无可比拟的优势,也有很多的现实甚至技术问题,都是需要加以考虑并进行权衡利弊的。

福特级核动力航母

首先,造价高。一艘核动力航母的建造费用大约为45亿美元,每年的维护费用也在5-10亿美元。而且,这么高的花费,寿命却并不长,全寿命只有不足70%(常规动力航母全寿命为74%)。

其次,核航母的续航能力倒是很强了,可是舰载机却需要燃料。而一艘航母能够装载的燃料数量是有限的,这势必会限制核动力航母优势的发挥。毕竟,航母的核心战斗力还是在舰载机,航母可以无限续航,可是舰载机不行。

舰载机副油箱

航母的指挥中心是舰岛,数十名船员在这里工作航行,指挥着舰载机。福特号航母的舰岛设在船尾,体积也小了不少。因此福特号可以装载更多的舰载机,而这意味着更大的舰载机燃料需求量。

苏联的乌里扬诺夫斯克只完成了30%便被搁浅,后来没有再建造出来一艘核动力航母,就是因为经费问题。与苏联差不多同时开始研究核动力航母的美国,最终建造出了企业号,其雄厚的科技实力自然是功不可没的,可也离不开自身强盛的综合国力、所占据的大量的资源和充裕的财力支持。

乌里扬诺夫斯克号核动力航母设计图

再次,技术问题。比如上文提到过的阻拦索等,还有制造技术,和至关重要的核反应堆与核反应堆小型化技术。而且,核反应堆体积小了,输出的功率却不能降得太低。我国打造的“玲珑一号”是一个模块化较小型的反应堆,体积和功率的输出都甚至可以媲美尼米兹核动力航母。但是却有另外一个致命的缺点,那就是反应堆的核燃料浓度只有3%,离20%的最低军用标准相去甚远。

至于先进的电磁弹射,上文已经讲明,这里便不再赘述。因此,一艘核动力航母,它需要的技术无疑是更精密的,材料也是更高性能的。

电磁弹射系统

虽然我国还没有核航母,但我们也不必因此而妄自菲薄。毕竟,核动力航母的建造也并不是迫在眉睫。美国虽然有尼米兹号、福特号,但是除非它想挑起大战,它是不会把核动力航母用于战争的。这些航母也只能向其它国家展示一下自己的力量,告诉他们它很不好惹。

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