如何正确启动一艘核潜艇?

一、1978年核潜艇抢劫案

大家听过拦路抢劫钱包手机的案件,大一点的有珠宝首饰店抢劫案、再大一点的如运钞车、银行抢劫案,但抢劫核潜艇的这件事儿读者不一定听说过。

抢劫核潜艇这种电影剧本都不敢写的事情居然真的发生过,而且下手的对象还是世界头号军事强国——美国。

美苏冷战大概可以分为三个阶段,本抢劫案发生在美苏冷战的第二阶段,这个阶段由于国际国内环境的影响,苏联强势扩张,美国稍有衰退,两者有了针锋相对的实力,双方通过各种手段来打探对方的虚实,明面上没办法得到有价值的消息,相当一部分消息都是黑市上获得的,以上是国际背景。

1978年,黑市上有人放出消息,要出手一艘抢劫得来的“海参”号核潜艇,正在寻求潜在买家,主要的潜在买家当然就是前苏联了。

核潜艇作为美苏冷战期间衍生出的众多核武器之一,被频繁使用,因此形成的威慑力、影响力也是最大的,此消息一出,立刻在黑市上引起不小的震动,各路买家争相打探消息,黑市上买家给出的最终报价达3亿美元,要知道当时的“海参”号的造价成本约1亿美元,不过奇货可居,作为高科技硬通货“溢价”200%想想也是正常的。

图示:当时报纸的相关报道

放出此消息的卖家是三名美国人,主犯詹姆斯·卡斯格拉夫曾在美国某海军基地服役,了解军港的内部运作情况,此人先找到另外两名合作伙伴,准备等“海参”号核潜艇回港后武装夺取,后来觉得人手紧张,又招募了12位有海军服役经历的帮手。

当然,黑市上不仅有潜在的买家,也有美国情报部门的人员,FBI很快得到线索侦破并抓获了所有作案人员。被抓后,这些人辩称仅仅是为了骗取买家的定金和行动经费而已,并没想真的抢劫,最终并没有被判处间谍罪,而是被判处了诈骗罪。

熟悉刑法的读者知道,间谍罪没有未遂犯,实施者只要接收了活动经费,不管结果得手与否,其结果都是即遂,最终根据对国家利益的损害程度进行量刑。

美国法院判处没有判处这伙人间谍罪的另一个原因是认为这些人及时得手抢劫到了核潜艇也没办法把核潜艇开走。

二、核潜艇是否如开车一样,踩刹车就停,松刹车“加油”即走呢?

1、核潜艇的动力原理

核反应堆是核潜艇的动力核心,以美国俄亥俄级核潜艇为例,核反应堆建在潜艇的后部约三分之一处。

图示:核潜艇动力原理

核反应堆依靠链式裂变核反应持续释放能量,这些能量将一回路中的水加热,一回路的热水通过蒸发器换热,将二回路中的水加热至沸腾,产生的蒸气分为两个部分:一部分推动主蒸汽汽轮机转动,汽轮机通过离合器后传给减速齿轮减速,减速后直接驱动螺旋桨前进,另一部分的蒸气推动汽轮发电机组产生电能,供潜艇上其他设备使用。

为了可靠不间断供电,潜艇上还配置了应急柴油发电机和蓄电池作为补充电源。

2、核潜艇开起来比开车、开飞机的难太多了,需要多岗位配合

核潜艇反应堆是一个复杂的动力装置,需要核反应堆操纵员、轮机操纵员、一二回路兵、指挥舱、驾驶舱等多个岗位密切配合才能稳定启动,持续输出功率。以现在服役的美国俄亥俄级核潜艇为例,全艇人员配置达155人,其中15名军官,140名士兵(官),即使参与抢劫的15人都掌握反应堆知识,轮机工程知识也是没办法短时间将核潜艇启动并开走的,等到启动了,海岸支援部队必然也到了。

图示:俄亥俄级核潜艇结构图

3、核潜艇靠岸后,反应堆一般会停止运行,冷态启动反应堆时间长

所有的核动力装置都是在额定功率时运行最稳定,在低功率时净反应性是正的,低功率下慢化剂的反馈还可能变成正反馈,因此反应堆低功率状态下相对不是很安全,前苏联切尔诺贝利核事故就是在低功率下做实验搞砸后引发的重大事故。

核动力航母或者潜艇靠岸后,不再需要过多的动力,仅需要为潜艇设备提供电能即可,如果反应堆不停堆,多余的热量需要通过二回路向空气排放高温蒸汽带走,这样做有点浪费水,因此仅在紧急情况下使用。

通常情况下,如果核潜艇停靠时间较长,都会将核反应堆停堆,然后通过专用电缆从军港栈桥的配电室将电能引到潜艇上,供艇上电子设备维护用电、以及通风、照明、日常用电。

反应堆彻底停堆后再启动就是冷启动,冷启动首先需要将一回路温度加热至270摄氏度,为了设备安全,一回路加热速率不能超过30摄氏度,然后才能提升控制棒进行达临界操作,反应堆达临界后开始带功率加热二回路中的水,产生蒸气后冲转汽轮机,一、二回路士兵、轮机士兵检查各个部位没有异常后开始继续升功率,才能启动核潜艇。

冷启动的时间大概在十个小时以上。

图示:核反应堆启动图

4、核反应堆反应性变化速率不能过快是核潜艇不能启动过快的另外一个原因

反应性是衡量反应堆内中子数量变化趋势和变化速率的一个物理量,是核反应堆工程概论中一个非常重要的物理量,当核反应性堆中反应性大于零时,核反应堆中的中子数量就是一个增殖的过程,核反应趋于剧烈,反应堆的功率也会增加;反之,则核反应堆的功率会减少,正常时要求反应性等于零,即要求反应堆持续稳定的输出功率。

原子弹要求威力大,因此引爆瞬间,需要向原子弹中的核材料引入一个很大的正反应性,但为了潜艇上的核反应堆安全稳定,引入反应性的过程必须尽量慢,这个过程至少需要30分钟。

从零功率到满功率,反应堆中核燃料的温度大约变化2000摄氏度,如果速率过快,轻则燃料芯块由于热胀冷缩破裂,重则反应堆发生超临界事故。

5、如果恰好反应堆处于“碘坑”内,启动时间将会更长

“碘坑”是核反应堆工程概论一个重要的名词。反应堆运行过程中会产生Xe-135(氙135),Xe-135有一个特性就是吸收中子,从而使得功率有降低的趋势,反应性的变化趋势与氙的变化趋势恰好相反,因此氙135又被称为氙毒。

图示:碘坑曲线

反应堆运行过程中,反应堆内的氙的量处于一个动态平衡的状态,当反应堆停堆后,中子与氙的反应也近似终止,但是反应堆内积累的碘135还在通过不断地衰变转化为氙135,这样就使得反应堆内的氙的量达到一个比运行过程中更高的量。

过多的氙毒会给反应堆引入一个极大的负反应性,这时即使把控制棒全部拔出都没法使得反应堆达到临界状态,更没法启动,这就是“碘坑”。

以上是停堆后氙中毒,这个时间可能长达20个小时,即使核潜艇趴窝二十个小时,核潜艇设计时应尽量避免碘坑。

三、总结

综上,核潜艇真的不像一般的汽车飞机实现即停即走,其启动过程是一个非常复杂的过程,及时抢劫得手,没有专业人员也是无法开出军港的。

来源:中科院高能所