设计一个可以用于潜艇的小堆AIP系统

最近尹老爆尿小堆AIP，军迷对这个系统都很high，我纯属业余，就查了些网上文章，按自己的想象设计了一个可放进潜艇的小堆AIP。

我查到了一篇“动力源-核电池”的文章，是翻译自Nuclear Engineering and Design, 136, 1992, P149-155，加拿大人设计的小堆：





这个小堆连同石墨反射层才有2.5米直径2米高，完全可以塞进9米直径的潜艇舱段。

用的核燃料是高温气冷堆用的石墨包覆UO2，清华气冷堆的核燃料就能用。

但是这个小堆用金属钾热管导出575℃的热量，然后驱动蒸汽发电，经过两次换热系统复杂，也没有充分利用气冷堆核材料可以耐高温的特点。

因此我将它的设计改成这样：将导热物质换成Li2BeF4熔盐，这种导热熔盐能在常压下在800-1000℃稳定操作。熔盐的密度是气体的千倍以上，导热能力估计是几十个大气压的氦气的上百倍，因此堆功率密度可以做高，熔盐可以缓慢自然流动都能带走堆芯热量。

熔盐在圆柱环状的核堆中被加热密度变小上到堆顶，热熔盐流到中间被列管换热器冷却密度变大下沉到堆底，又向外流向反应堆层被重新加热。中间的金属钾热管被换成了列管式换热器，高压氦气从中间管导入，分流到几十根列管被熔盐加热后上升成为高温高压氦气汇聚后去做功。

比直接气冷堆的好处：熔盐导热性好堆功率密度可以做大，自然循环不用泵无噪音。核材料反应堆等高温物件都处于常压，而气冷堆则整个处于高压。我们知道耐高温而且高压的材料很难搞，高温条件再受压材料容易蠕变出问题。而这个小堆只有几十根小直径的换热列管处于高温高压(管内氦气压力)。我们知道管子越细耐压越好，液相色谱很细小的管子能耐几百公斤压。耐压换热管比气冷堆大尺寸耐压容器好搞多了。氦气虽然被辐射也不会产生放射性，但是气冷堆氦气直接接触核燃料，裂变产生的放射气体可能被带出，因此还要换热而不能直接做功。而这个小堆出来的氦气是隔着管壁换热的不会有放射性因此可以直接做功。

高温氦气可以直接用于斯特林发动机做功：



从斯特林发动机示意图可以看到，普通斯特林发动机是将燃料和空气或氧气燃烧产生高温，通过换热器把发动机内循环的做功物质氦气加热到700多度，然后再在另一边通入低温冷却水就能驱动斯特林发动机。如果把发动机内循环的氦气通到上面的小堆里        ，通过列管换热器被熔盐加热到700-1000度，那么也能有效地驱动斯特林发动机。

最后再看看上面的小堆能驱动潜艇吗？上面小堆的热功率有2400KW，如果按30%热功效率算做功功率就能达到720KW。而AIP潜艇通常用四台100多千瓦的斯特林发动机驱动。因此这个小堆足够AIP潜艇使用了。

从上面的分析可以看到，一切的基础都是清华开发的耐高温气冷堆核燃料球，据说这种核燃料清华开发了10多年据说是破损率低是世界领先。清华的先进的四代核技术高温气冷堆的先进性不在于现在就去同很成熟的压水堆比发电，而在于其简单安全而且能提供高温高品质热源。

最近尹老爆尿小堆AIP，军迷对这个系统都很high，我纯属业余，就查了些网上文章，按自己的想象设计了一个可放进潜艇的小堆AIP。

我查到了一篇“动力源-核电池”的文章，是翻译自Nuclear Engineering and Design, 136, 1992, P149-155，加拿大人设计的小堆：





这个小堆连同石墨反射层才有2.5米直径2米高，完全可以塞进9米直径的潜艇舱段。

用的核燃料是高温气冷堆用的石墨包覆UO2，清华气冷堆的核燃料就能用。

但是这个小堆用金属钾热管导出575℃的热量，然后驱动蒸汽发电，经过两次换热系统复杂，也没有充分利用气冷堆核材料可以耐高温的特点。

因此我将它的设计改成这样：将导热物质换成Li2BeF4熔盐，这种导热熔盐能在常压下在800-1000℃稳定操作。熔盐的密度是气体的千倍以上，导热能力估计是几十个大气压的氦气的上百倍，因此堆功率密度可以做高，熔盐可以缓慢自然流动都能带走堆芯热量。

熔盐在圆柱环状的核堆中被加热密度变小上到堆顶，热熔盐流到中间被列管换热器冷却密度变大下沉到堆底，又向外流向反应堆层被重新加热。中间的金属钾热管被换成了列管式换热器，高压氦气从中间管导入，分流到几十根列管被熔盐加热后上升成为高温高压氦气汇聚后去做功。

比直接气冷堆的好处：熔盐导热性好堆功率密度可以做大，自然循环不用泵无噪音。核材料反应堆等高温物件都处于常压，而气冷堆则整个处于高压。我们知道耐高温而且高压的材料很难搞，高温条件再受压材料容易蠕变出问题。而这个小堆只有几十根小直径的换热列管处于高温高压(管内氦气压力)。我们知道管子越细耐压越好，液相色谱很细小的管子能耐几百公斤压。耐压换热管比气冷堆大尺寸耐压容器好搞多了。氦气虽然被辐射也不会产生放射性，但是气冷堆氦气直接接触核燃料，裂变产生的放射气体可能被带出，因此还要换热而不能直接做功。而这个小堆出来的氦气是隔着管壁换热的不会有放射性因此可以直接做功。

高温氦气可以直接用于斯特林发动机做功：



从斯特林发动机示意图可以看到，普通斯特林发动机是将燃料和空气或氧气燃烧产生高温，通过换热器把发动机内循环的做功物质氦气加热到700多度，然后再在另一边通入低温冷却水就能驱动斯特林发动机。如果把发动机内循环的氦气通到上面的小堆里        ，通过列管换热器被熔盐加热到700-1000度，那么也能有效地驱动斯特林发动机。

最后再看看上面的小堆能驱动潜艇吗？上面小堆的热功率有2400KW，如果按30%热功效率算做功功率就能达到720KW。而AIP潜艇通常用四台100多千瓦的斯特林发动机驱动。因此这个小堆足够AIP潜艇使用了。

从上面的分析可以看到，一切的基础都是清华开发的耐高温气冷堆核燃料球，据说这种核燃料清华开发了10多年据说是破损率低是世界领先。清华的先进的四代核技术高温气冷堆的先进性不在于现在就去同很成熟的压水堆比发电，而在于其简单安全而且能提供高温高品质热源。