志在高远的中国核反应堆技术和核潜艇

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高远的中国核反应堆技术和093/094核潜艇

　　我国面向21世纪的先进核反应堆技术包括快中子实验堆？高温气冷实验堆和聚变－裂变混合堆三项内容。这些技术是否已经应用于我国093/094核潜艇上了呢？

　　一、我国的快中子实验堆

　　目前的核堆大多数使用轻水堆，堆中以铀235为燃料，水作慢化剂使得高速中子减速和冷却。天然铀中同位素铀235占重量的0.7%，其余均为铀238。中子撞击铀核时，铀235吸收一个速度较慢的热中子发生裂变，而99.3%重量的铀238则是热核反应的废料。

　　若以核裂变时产生的快中子轰击铀238，则铀238便会以一定比例吸收快中子变为钚239。钚239是比铀235更好的核燃料。由铀238先变为钚，再由钚进行裂变，裂变释出的能量变成热，运到外部后加以利用。

　　在快中子堆内，每个铀235核裂变所产生的快中子，可以使12至16个铀238变成钚239。尽管它一边在消耗核燃料环239，但一边又在产生核燃料钚239，生产的比消耗的还要多，具有核燃料的增殖作用，所以叫快中子增殖堆，简称快堆。

　　快堆堆心采用铀-钚混合氧化物核燃料，外围是铀238，构成增殖层，铀238转变成钚239的过程主要在增殖层中进行。堆芯和增殖层都浸泡在液态的金属钠中，核裂变反应产生的大量热，由导热能力很强的液态钠带到热交换器，并使锅炉加热，产生483℃左右的蒸气，用以驱动汽轮机。

　　就燃料利用率而言，目前的压水堆约为1％，快堆高达60％左右，军事和经济效益十分明显！因而美、法、日、德、俄等国都在积极开发研究快堆，目前全世界共有几十座中小型快堆在运行。

　　我国快堆应用基础技术研究于1986年正式列入863计划，相继建成了 20 多台大型实验装置，包括高加浓铀的快中子零功率反应堆、钠实验回路和净化装置等。钠杂质分析技术和净化技术水平大幅度提高，钠工艺研究已进入国际先进行列。

　　我国1992年3月批准建造一座热功率为65MW、电功率为20MW的快中子实验堆。该快堆由中国核工业总公司、中国原子能科学研究院、国家科委联合负责，北方某大型国有企业承担主体制造。目前该快堆主堆体正在16M立车上精加工。

　　二、我国的高温气冷实验堆

　　高温气冷堆是一种用氦气作冷却剂的先进核反应堆，采用全陶瓷型球形燃料元件（核燃料经20多道工序加工成直径为6cm的球状物），冷却剂即为氦气，慢化剂和结构材料采用石墨，堆芯最高温度达到1600摄氏度。反应堆可采用模块化方式制造，建造时就像搭积木般，能随时连续地装卸核燃料和不定期停堆拆卸更换，因而和其它反应堆相比，可用率约高达45％以上。

　　我国的第一座高温气冷反应堆是清华大学10兆瓦的高温气冷实验反应堆，由清华大学核能技术设计研究院负责设计和建造。反应堆的研究成功，和国家的大力支持，科研人员多年来的刻苦攻关分不开，这当中不能不提到王大中。

　　王大中，男，1935年生于河北省。1958年毕业于清华大学工程物理系核反应堆专业。1981-1982年在联邦德国于利希核中心从事高温气冷堆研究，1982年在联邦德国亚琛工业大学获自然科学博士学位。曾任清华大学核能技术设计研究院院长，清华大学校务委员会副主任，国家863高科技计划能源领域首届专家委员会首席科学家。现任清华大学校长、核工程教授，中国科学院院士, 中国科学院技术科学部主任, 国务院学位委员会委员，国家核安全局专家委员会委员, 中国核学会副理事长, 北京市人民代表大会常务委员会副主任。

　　王大中六十年代参加我国自建屏蔽实验反应堆的设计、建造和运行。七十年代中期以来, 主持领导高温气冷堆的研究开发工作, 提出一种模块式高温气冷堆的新概念。八十年代, 王大中教授开创了核供热堆的新研究领域，主持设计、建造、并于1989年起成功地运行了世界上第一座5兆瓦壳式低温核供热堆。并研究与发展了核供热堆综合利用技术，包括核能制冷、热电联供、核能海水淡化等。 参与领导200兆瓦大型核供热堆工程以及10兆瓦高温气冷反应堆工程的研究设计和建造。

　　上世纪九十年代以来，中国已有两座核电站投入商业运作。另有秦山二期和三期、岭澳二期、江苏田湾四个核电机组在建。这些核电站使用的都是压水堆型。高温气冷反应堆与上述这些压水堆不同：

　　1、这种反应堆是惟一能提供高温核工业热的核能源，它能产出950℃以上的高温，是压水堆温度的三倍！可广泛应用于发电、供热、稠油、热采、煤炭气化液化等。

　　2、高温气冷堆是国际核能界公认的安全性最高的反应堆，它能在发生事故时自动关闭，并将剩余热量排除冷却，不会发生燃料元件烧毁现象，因而在任何时候都不会出现切尔诺贝利核事故那样对公众和环境造成危害的严重情况，可以建造在工业区内或人口稠密的城市附近，这是其它的核能技术都不具有的。

　　清华大学10兆瓦高温气冷实验堆其关键设备都由我国自主设计制造，是世界上第一座模块式球床高温气冷实验堆，实现了多项创新和技术突破。如由哈尔滨第703研究所设计研制的世界首台氦气透平压气机组、世界首条高温堆燃料元件生产线、世界首套气动脉冲装卸料装置、我国首套全数字化的反应堆控制保护系统，等等。
　　实验堆并网发电的成功，意味着中国利用核安全技术缓解能源短缺问题取得了重要进展，也为我国在今后以产业化方式建造同类型功率更大的核电站、以及用于军事目的打下了良好的基础。

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三、我国的聚变－裂变混合堆

　　裂变指的是同位素铀的核裂变反应释放巨能的过程，而聚变则是指两个轻原子核氘氚结合在一起时，由于发生质量亏损而放出巨能的过程。我们熟悉的太阳能，就是来自于太阳内部的轻核聚变反应。

　　核聚变的原料是海水中的氘（重氢），而氚（超重氢）也可以用氘－氘反应制取。以1升海水约含有0．03克氘计，据估计地球上的海水中大约含有40万亿吨氘，以每克氘通过聚变反应可释放出相当于10吨多汽油的能量推算，至少可供人类在很高的消费水平下使用数十亿年！所以说核聚变能是更为清洁的能源，核聚变材料几乎是取之不尽、用之不竭。

　　聚变能的实际应用要成为现实，还必须走相当长一段路，最早的实用堆至少要在21世纪后半页才有可能出现。为了提高聚变堆的经济性，具有高功率密度的裂变包层，以增殖核燃料为目标的混合堆，被认为是从裂变堆到聚变堆过渡的中间途径。

　　在核工业西南物理研究院的努力下，我国21世纪初建成了中国环流器二号HL－2A。另外，中科院等离子体物理研究所目前正在设计研制世界上第一座具有偏滤器的超导磁体托卡马克装置HT－7U。这是两个具有很好互补性的新托卡马克装置，预计建造成功后，将大大加快中国受控磁约束核聚变研究进程。

　　世界上对核能利用的平均水平大致在百分之十六左右，我国以前仅为百分之一，存在相当大的差距。目前，我国对积极开发新型清洁核能表现出了极大的兴趣，预计截止2004年底，核能在整个能源的结构比例，有希望提高到百分之三至四左右。

　　四、许多报道都认为093/094核潜艇用的是高温气冷核反应堆

　　日本曾刊文说，自1995年起，夏级进行了多次改装。最近一次大规模改装是2002年2月。这次改装使夏级的外观焕然一新，看上去与俄罗斯的DIV级战略核潜艇十分相似，背部的隆起部份显得更加圆鼓，这也正好说明它搭载的潜射弹道导弹已经换成了“巨浪“2型(JL2)。此外，反应堆换成了新研制的高温气冷核反应堆，功率为120兆瓦。螺旋桨也换成了新型号，外加采取新的减震措施，艇体敷设了消音瓦，噪音水平由160分贝减至115至120分贝。如此大规模的改装，很难说仅仅是为了提高性能。可以推测，这一切都是为了新型的094战略核潜艇的研制试验。

　　据1997年美国海军发表的报告和简氏军舰签称，093型核潜艇的水下排水量为6000吨，全长107米，宽11米，推进装置是两座高温气冷核反应堆，功率20000马力，水下速度每小时30海里。094型是在093型的基础上扩大改进的，搭载16枚巨浪2型潜射弹道导弹。094型采用双层壳体结构，水平舵安装于指挥塔围壳上，水下排水量10000吨，全长140米，高温气冷核反应堆2座，功率20000马力，水下速度每小时26海里。

　　另一方面，来自中国、香港和台湾的消息称，093的水下排水量为8000吨，采用高温气冷核反应堆，水下速度每小时40海里以上。搭载武器除鱼雷外，潜艇中部的16座垂直发射筒可水下发射超音速反舰巡航导弹(鹰击12/YJ12)，噪音水平也因采用减震技术和安装消声瓦而减至110分贝。1号艇于1997年开工建造，2001年下水，2002年竣工。如果顺利，2003或2004年就要服役。而094水下排水量为12000吨，核动力装置同样是高温气冷反应堆，水下速度达每小时40海里......

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