美国海军 2025 年提交给国会的未来 30 年造舰计划中,赫然列有 59 艘攻击型核潜艇金橘策略,意味着美国将会把竞逐未来海洋的水下优势,作为未来发展的关键。中国海军,也在实现 093B 新型攻击型核潜艇量产的同时,同步推进着 095 型下一代攻击核潜艇的技术。根据美国海军的说法,未来,美国与同等级别对手(特指中国)的水下竞争,将会决定海洋的主导权和优势。
图为 095 核潜艇设想图。
这一幕,像极了冷战时期的美苏核潜艇竞赛,而美苏核潜艇竞赛的一大关键技术,似乎也代表着中美水下竞争的技术发展未来。毕竟,要打赢水下的战争,这样东西可谓是决胜的法宝了,谁能率先获得,谁就将无敌于水下。这件先进技术装备的全称,叫做 -- 液态金属冷却剂核反应堆,也就是苏联海军应用在阿尔法级核潜艇(705 型核潜艇)上的那台反应堆。
那有人就要问了:"美苏冷战时期就出现的技术,就已经实际应用的技术,为什么说还代表着未来核潜艇的发展方向呢?"这是因为,虽然美苏冷战时期就已经对这种反应堆有了深入研究和认识,但是并没有可靠的解决掉这种反应堆的安全问题,导致故障频发、潜艇失事,后来便停止了发展。而今,技术更为成熟、先进,尤其是反应堆的加工精度和控制技术也更加完善,似乎为液态金属冷却剂反应堆的发展,开辟好了道路。
图为苏联 705 型核潜艇。
毕竟,这可是相当优秀的反应堆构型,苏联海军阿尔法级(705 型)核潜艇就是凭借 VM-4 型液态金属冷却剂反应堆,实现了最大 40 节的水下航速,跑的比鱼雷都快,就算是他静音效果差,也很难对其进行有效攻击,除非是伏击。话说,在潜艇用核反应堆研发的初期,曾经有三种不同构型的反应堆同时进行过讨论,分别是压水堆、液态金属冷却反应堆、氦气冷却反应堆,而其中被认为最具发展前景和性能最强大的构型,就是液态金属冷却反应堆(中能中子反应堆)。
图为 705 型核潜艇金橘策略。
说简单一些,液态金属冷却剂反应堆,就是使用低温的液态金属如钠、铅铋合金等,作为冷却剂取代反应堆回路内的水,以提高反应堆的导热能力,从而提高反应堆的热效率和功率,也提升了隐蔽性。毕竟,液态金属冷却剂不需要冷却机泵进行循环,它自己就可以实现完美的自然循环,在回路内来回的流动,是自然循环反应堆最好的实现方式。
图为 705 型核潜艇。
在冷战时期,凡是装备这种反应堆的核潜艇,都堪称是水下战斗机,都把猎杀对方的攻击核潜艇作为主要的设计目标。但是这种反应堆却有一个巨大的缺陷:安全性极差。首先在于,一般环绕反应堆的回路内装有水冷却剂,水虽然导热性不如液态金属,但是可以作为隔离辐射的慢化剂使用,防止反应堆辐射外泄。然而,液态金属传导热量的同时,也传导辐射,在这种反应堆的外壳,还需要单独铺设一层隔离层,一般由固态铍作为屏蔽。
图为美国规划中的 SSNX 核潜艇。
在 1947 年 6 月美国开始核潜艇研发的初期阶段,电船公司就曾把主要的精力放在液态金属冷却剂反应堆上,并且于 1952 年初制造出 SIR-A 型液态金属冷却剂反应堆;此后,美国以该反应堆为基础发展了 S2G 反应堆,并以其为动力制造了早期核潜艇中性能十分优异的"海狼"号核潜艇,也是从那个时候开始,"海狼"级成为了美国对优秀性能核潜艇的称谓,后来发展的第三代攻击核潜艇"海狼"级,也是代表着对极端性能的追求。
然而,在"海狼"号核潜艇的第一次海试前,它就发生了液态金属冷却剂泄漏事故,辐射蔓延全艇。1958 年 12 月,美国人还是放弃了事故频发的海狼号核潜艇。苏联也一样,苏联吸取了美国的教训,不适用液态金属钠作为冷却剂,而是用稳定性更好一些的铅铋合金,并且在 1965 年 9 月服役了代号 K-27 的苏联首艘液态金属冷却剂反应堆核潜艇。然而这艘苏联核潜艇比美国的海狼号还悲剧。1964 年,正在大西洋南部执行任务的 K-27 号核潜艇上发生了液态金属冷却剂凝固的事故,这次事故发生的原因在于艇上的蒸汽发生器发生了泄漏,氧化物和沉淀渣进入了一回路之中,堵塞了管道,此次事故的直接后果是反应堆芯的温度升高到了 1000 摄氏度以上,此后无法满功率运行。
图为苏联 K-27 号核潜艇。
紧接着在一年之后,1965 年 7 月 31 日,K-27 号核潜艇发生了火灾,一名艇员负伤;8 月 26 日,K-27 号的核反应堆舱发生了火灾,大量的放射性物质泄漏,全艇有 105 名艇员受到了超剂量的核辐照射。仅仅 6 天之后,K-27 号核潜艇的右舷反应堆也发生了同样的事故。3 年之后,1968 年 5 月,K-27 号核潜艇发生了最为致命的一次事故:当年 5 月 24 日,K-27 号核潜艇的反应堆突然失控,接着反应堆功率迅速降低,反应堆芯温度迅速上升,有 20% 的核燃料棒迅速的熔融并且发生破裂。事故导致了反应堆舱的辐射剂量相当高,恐怖的放射性气体向全艇扩散,参与维修的 9 名艇员很快死亡,其他 115 名艇员中,大部分也在 70 年代患上了癌症并离世。也是这一年,K-27 号被彻底退役,并做了沉海处理。
自此,液态金属冷却剂核反应堆就成为了"死亡"的代名词,除了苏联后来在极端追求性能的阿尔法级核潜艇上再次使用之外,迄今为止没有哪个国家敢于再次尝试。不过,我们依然要看到液态金属冷却剂确实比水作为冷却剂要更为优秀,确实可以数倍的提升核潜艇反应堆的功率,如果能够稳定的运行这种反应堆,那无疑是一次核技术的革命。
当今,中美两个世界超级强国,都再次聚焦于水下的角逐,而这场核潜艇的竞争直接关乎未来海洋的主导权和优势。因此,在高强度的大国竞争之中,中美两国也必然会把目光重新聚焦于这种反应堆,谁能率先获得,谁就掌握了未来,这是蕴含着巨大战略利益的高新技术。需要重点说明的是:中国确实在这个领域已经有了很大的突破。
图为 095 型核潜艇设想图。
根据公开信息显示,2019 年 12 月,中国首座铅铋合金零功率反应堆启明星 3 号,在中核集团研究院内实现了首次临界。2022 年 12 月,中国又完成了钠冷快堆核电源非核集成测试装置的"一键启停堆"验证试验。上文已经说过,铅铋合金冷却剂和钠冷却剂就是核反应堆的液态金属冷却剂,这是关于中国液态金属冷却剂反应堆研发和突破的权威性信息。我们有理由相信金橘策略,中国的下一代,或者说下下一代核潜艇上,很可能就会出现液态金属冷却剂反应堆,掌握水下战力的技术制高点,对此我们可以一起拭目以待!
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