雄霸天下txt下载【视频】- 压水反应堆 探源溯流-核史钩沉

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缘起与设想
今天，在核能行业界，只要一谈起压水反应堆，大家就会想到美国西屋公司，如同一谈起汽车和计算机，就分别绕不开福特公司和IBM公司一样。根据国际原子能机构的统计数据，截止到2018年2月底，全球核电市场共有449台反应堆机组在运，压水堆就占了293台，绝对是一枝独秀。毋庸置疑，绝大部分的压水堆，都跟西屋公司有或多或少的联系。若再追根溯源的话，关于压水堆的故事，就要从美国的海军核推进项目以及项目的灵魂人物海曼·里科夫(Hyman Rickover)讲起了。
第二次世界大战期间，通过美国的曼哈顿工程，核裂变反应释放的爆炸性能量卢信宥，得到成功的验证，加速了战争的结束进程。随后古丽扎纳，科学家的研究重点，转移到如何有效、可控地利用核裂变能量上来。在这方面，海军工程兵出身的里科夫上校尤其积极，四处奔走呼吁开展海军核推进技术研究。
早年在常规潜艇上痛苦不堪的服役经历，让他做梦都想着有朝一日制造一艘新型潜艇，一种有充足电源、既不需要空气注入又无需排出废气、可在水下安全生活长达半年的潜艇。常规的潜艇，动力装置主要由柴油机、蓄电池和电动机等构成；由于柴油机工作时需要大量氧气，经常要浮起或在半潜状态下给蓄电池充电，不管是隐蔽性、机动性，还是续航力、攻击力，都不尽如人意。如果能将一个反应堆“塞”进潜艇里，以核裂变能量作为动力源，潜艇就可以在水下作长时间的高速航行，而不必频繁地露出水面了。
1946年的春天，里科夫主动请缨，带着几个海军军官和工程师，来到橡树岭反应堆技术学校，一边学习神秘的核技术雄霸天下txt下载，一边调查核能用于舰船动力的可能性。在橡树岭的半年时间里，里科夫对核动力技术十分着迷，很快把自己从一名技术军官变成核工程专家荣臣驾校。

海曼·里科夫
在1940年代末的美国核能界，关于建设反应堆的主流观念，集中于两个方向：一个是石墨慢化天然铀反应堆，比如CP-1和汉福特的钚-239生产堆，因为石墨的中子慢化能力强，天然铀无需浓缩即可作为核燃料；另一个是液态钠冷却快中子增殖堆，比如1949年末开建的EBR-Ⅰ，因为当时探明的铀资源储量有限，只有开发燃料增殖堆，才能解决核原料的长期供应问题。
然而，里科夫对这两种反应堆类型，似乎都不“感冒”。石墨反应堆，由于使用天然铀燃料，堆芯尺寸很大，潜艇里“捉襟见肘”的紧凑空间，根本容不下。钠冷快堆，虽然具有很高的热效率，可以大大减少设备占用的空间，但钠与水接触会发生剧烈反应导致爆炸，遇到空气会失火。在他看来，对于战时状态下本来就危机四伏的潜艇和军舰兄弟同体，钠的致命缺陷，无疑给舰船和士兵增加了额外的风险。
就在橡树岭的日子里，另一种反应堆的设计概念，引起了里科夫的强烈兴趣。早先在芝加哥大学的冶金实验室里，在费米和魏格纳的指导下，核物理学家阿尔文·温伯格(Alvin Weinberg)从事过铀-水栅格指数实验，发现由天然铀棒和普通水组成的栅格，所能达到的增殖系数非常接近于1；如果对天然铀棒稍微进行浓缩，和普通水组成的栅格就能达到临界，可以用来建造动力反应堆。在1944年9月18日写给同事的一封信中，温伯格说：
“采用普通水作慢化剂的反应堆，优点是很明显的优色林，这样的系统，本身就包括了冷却剂。由于金属铀在铀水体系内的重量比，大大高于它在任何其它体系内的重量比，铀水系统可以产生很高的比功率。这样的系统，若能成功运行的话，将会比现有的几种反应堆体积小得多，因而更容易建造。最后，如果燃料的包壳问题能够解决的话，这种反应堆有可能在高压下运行，从而获得高压蒸汽用于发电。”

阿尔文·温伯格
随后，温伯格跟随魏格纳来到橡树岭国家实验室，从1955年起他担任该实验室主任职务长达18年。1946年10月，温伯格和实验室的一位数学专家合作发表了一篇《用高压水作为核电厂的载热剂》的论文，成为历史上关于压水堆描述的第一篇文章。
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核动力航行
温伯格的压水堆设想，正中里科夫的下怀：使用浓缩铀作燃料，意味着潜艇可以在海里全速巡航几年，而无需中途添加燃料，也去除了中途排出燃料废物的危险步骤；也意味着没有必要使用石墨或重水等高效的慢化剂，利用普通水中的氢，就可以减缓快中子的速度。冷却剂在高压下运行，不会沸腾君臣斗，不需要在顶部安装蒸汽分离装置，反应堆舱尺寸不会太大。利用普通水充当慢化剂兼冷却剂，本身就具有内在安全性，不必采取过度的安全措施；因为如果失去了冷却剂，同时也失去了慢化剂，反应堆会自动停闭，只需要把剩余的热量安全地导出来即可。
于是，里科夫直接给海军舰队司令尼米兹写信，要求正式上马核潜艇项目。获得首肯后，1948年8月，里科夫从橡树岭召集了一批工程师，组建了海军舰船局核动力分部。同年，在美国原子能委员会的协调下，压水堆的设计工作，由橡树岭转到阿贡国家实验室。为了加快项目推进，在匹兹堡的城郊，原子能委员会建立了贝蒂斯原子能实验室(Bettis Atomic Power Laboratory)，专司海军动力反应堆设计，并选中西屋公司作为承包商负责管理运营。
在阿贡国家实验室完成压水堆及系统的初步设计后，西屋公司接手负责详细设计。在此过程中，遇到的最大难题，是核燃料元件类型及包壳材料的选择问题。在一个高温、高压和强辐射环境中，单纯的金属铀，既不耐腐蚀，也难以保持几何稳定性。在调查了几种不同铀合金特性后，贝蒂斯实验室的首选是铀钼合金；不幸的是，在对一个实验堆中铀钼合金辐照样品分析后，发现存在腐蚀问题，而且难以在短期内解决。最后，里科夫拍板选择了替代方案，即二氧化铀燃料。理论上，腐蚀就是氧化，而二氧化铀作为一种氧化物，相当于事先完成了“腐蚀”；即使在跟高温水接触时，二氧化铀也能保持几何尺寸的稳定性。
对燃料元件包壳材料的要求，则更为苛刻：良好的传热性能，耐腐蚀、耐高温、耐高压豆丹，以及极低的中子吸收性能等等，几个条件缺一不可。研究人员发现锆是一种理想材料，可以同时满足上述条件。但是，锆非常稀罕，比铂还贵重，当时的价格高达每克1000美元；一个反应堆，若使用锆作燃料包壳，需要几卡车的使用量，可是天价的预算。在里科夫的呵斥和咆哮声中，西屋公司的冶金学家几乎快被逼疯了，终于在1952年解决了批量开采、研磨、制造锆材料的难题华华丹。这一选择及其难题的攻克，给后来的核电反应堆造成了深远的影响，二氧化铀燃料芯块配上锆合金包壳，几乎成了燃料元件的标准配备。
万事俱备，只欠东风了。1953年3月30日，臧健和西屋公司设计的核潜艇陆上模式堆S1W（S代表潜艇，1代表第一个产品，W代表设计商西屋公司），在爱达荷的国家反应堆试验站建成并达到临界，成为世界上第一个压水堆。后来美国几乎所有的核动力潜艇和水面舰船反应堆，都是在此基础上设计修改而成，也被其他国家的海军核动力项目广泛采用。6月底，反应堆达到设计满功率，随即成功进行了96小时的连续运行试验；1955年，反应堆取得了连续满功率运行66天的佳绩。在其36年的运行历史中，超过12500名的海军和文官学员在S1W上学习培训过。

核潜艇陆上模式堆S1W
真正的核潜艇，同步开建。1952年6月14日，在康涅狄格州的格罗顿，美国总统杜鲁门携三军首长和各级官员出席了开工典礼，公开展示了船身标号SSN-571的“鹦鹉螺”龙骨。“鹦鹉螺”，出自法国小说家凡尔纳《海底两万里》中尼莫船长的船名，里科夫用它为自己的梦想之船命名。铀-235富集度为50%的二氧化铀芯块匈奴王妃，配上锆合金包壳，被装进了S2W反应堆里，反应堆再被装进潜艇里。1954年1月21日，“鹦鹉螺”正式下水。1955年1月17日，核潜艇在大海中首次航行；通过无线电，艾森豪威尔总统接收到核潜艇发出的第一条信息：“核动力航行中”。

“鹦鹉螺”号核潜艇(SSN-571)
在接下来的测试中，“鹦鹉螺”打破了所有的纪录，并于1958年成功穿越北极冰层，总体表现超出了人们的期望。到1980年正式退役为止重振球风，“鹦鹉螺”保持了绝佳的运行业绩，没有发生过一次核事故。“鹦鹉螺”的成功，让海军见识了压水堆的优势，随后将许多舰队改为核动力驱动，并陆续打造核动力航空母舰、驱逐舰等水面舰艇。
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独占鳌头
不过，历史不会如此简单。
事实上，为了保险起见，美国海军在1950年代实施了两个平行的核潜艇推进项目。除了里科夫的“鹦鹉螺”号，另一个是“海狼”号(SSN-575)，采用通用电气公司设计的液态钠冷却增殖反应堆驱动，在1955年建成下水，成为美国第二艘核潜艇。和“鹦鹉螺”相比较，“海狼”的反应堆热效率更高，占用空间更少，噪声更小。但是，在里科夫的眼中，“海狼”号制造昂贵、操作复杂、维修困难，很小的故障即可能导致长时间停堆，更麻烦的是安全上的忧虑。从1958年12月到1960年12月，“海狼”的钠冷快堆被拆除，装进了一个“鹦鹉螺”制造时作为备用的S2Wa压水堆。海军的钠冷快堆项目，没有成功迈出第一步，便寿终正寝。

“海狼”号核潜艇(SSN-575)
如前文所述，作为原子能委员会的全权代表，里科夫还主导了美国第一座压水堆核电厂的建造。在推进军、民用核动力项目上的卓越贡献，让他功成名就，曾经的海军上校，摇身变成四星上将，获得了无数奖章和荣誉，包括1964年的费米奖。时至今日，以他为名的荣耀仍有许多，比如里科夫号洛杉矶级核潜艇(SSN-709)、里科夫海军学院、麻省理工学院里科夫奖学金等等。执拗的性格、强势的做派、政治上紧跟形势、工作狂，以及深厚的核工程技术背景，让他成为美国海军历史上服役时间最长的军官，也是那个时代最伟大又最具争议的将军。
里科夫力排众议采用的压水堆技术方案，在当时既不是造价最便宜的，也不是制造、建造技术最简单的。在当时的反应堆设计中，压水堆是最复杂的一个：昂贵的核燃料、特殊的建筑材料，成千上万个部件，以及数不清的焊接点……但是，里科夫对质量和安全近乎苛刻的要求，比如采用纵深防御的设计理念，全面的设备监造过程，严格遵守规章程序，对运行人员进行心理测试并开展全面培训等等，造就了压水堆最初的成功，留下的安全遗产甚至影响至今。
压水堆之所以能在后来的核电市场竞争中独占鳌头，除了得益于早期在海军核动力项目上的成功实践外水脑袋，还有多方面的原因。或许，我们可以从“美国海军核动力之父”里科夫曾经说过的一席话中，找到些许端倪：“任何一个项目要取得成功，都必须坚持整体的观点，各个因素或要素都重要，彼此关联，单独把某个因素作为关键，无法凑效。动力反应堆的设计，其实就是95%的工程学和5%的核物理的结合，有时候必须作出妥协，均衡性至关重要……”换句话说太空飞行棋，正是每个方面都不是最佳，但又不存在明显的短板，决定了压水堆技术的成功吧。

以“鹦鹉螺”号核潜艇为起点，美国西屋公司设计开发了商用压水堆，在1960-1970年代的世界核电发展浪潮中，取得了骄人的业绩。后来市场上出现的其他的压水堆核电厂核蒸汽系统供应商，比如美国的巴布科克·威尔科克斯公司和燃烧工程公司、德国的西门子公司、法国的法马通公司以及日本的三菱公司等等，都是在引进、消化西屋公司压水堆技术基础上进行再开发、创新的。这种意义上而言，称西屋公司为压水堆技术的“鼻祖”，是恰如其分的。