核潜艇被视作镇国重器，其纵横四海的底气，就来自那颗深藏于方寸之地的“澎湃之心”-核反应堆。它赋予核潜艇几近无限的水下续航力，和长时间在水下急速“飙车”的能力，这种战斗力和威慑力绝非常规潜艇所能企及。本文将为您拆解这颗“澎湃之心”的工作原理，细数各类堆型的优劣，揭秘这场持续了半个多世纪的动力博弈。

核潜艇相较于常规潜艇的所有优势，归根到底皆来自其核动力装置。核动力装置的原理可以类比烧锅炉，靠高温高压的蒸汽驱动蒸汽轮机，输出机械能或驱动发电机发电。只不过，核动力装置中的“锅炉”既不烧重油，也不烧煤，而是靠核材料裂变释放极为可观的热能。

存在于自然界中的核材料是铀，铀又分为铀238和铀235。铀238的原子核中含有146个中子，铀235的原子核中含有143个中子。在自然条件下，铀238和铀235都能发生裂变反应，但裂变速度极慢，业界称之为衰变。不过，如果用具有一定速度的中子轰击铀235的原子核，其裂变反应速度将急剧加快，瞬间释放出巨大能量。而且，每个裂变的铀235原子核会释放出2至3个具有一定速度的中子，这些中子又能激发其他铀235原子核发生裂变反应。

同位素铀的图示

在特定条件下，若对铀235的裂变反应不加以控制，能量在极短时间内集中释放，就会形成威力巨大的原子弹。如果想让它变成“核锅炉”，能在可控状态下对外持续稳定输出能量，就得控制其裂变反应的速度。

通常情况下，铀235原子核裂变时释放出的中子速度很快。而由于自然界中铀235的含量过低，因此往往未能撞击到其他铀235的原子核，就飞得无影无踪。若要增加中子撞击到其他铀235原子核的概率，必须双管齐下。一方面要增加铀235在核燃料棒中的占比（即“丰度”），另一方面要设法将中子速度降下来。

关于提高铀235的丰度，由于铀238和铀235的化学性质极其近似，因此只能依靠二者原子量上的微小差异加以提纯。目前，最成熟的办法是通过化学反应，将铀转化为六氟化铀气体，然后将其注入高速旋转的离心机中。在离心机作用下，经过一段时间，不同重量的六氟化铀气体发生分层：含铀238的气体会聚集在离心机边缘，而含铀235的气体则主要集中在离心机靠中间的位置。此后，将这两种粗分的气体分别用导管抽走，其中相对富含铀235的气体被注入下一台离心机中。如此循环往复，方能逐步提高铀235丰度。这个过程看似原理简单，但实现起来却殊为不易—离心机本身就是国际上严格控制输出的高科技产品，而要让数万台离心机日夜不停地工作，其控制难度及耗电量均蔚为可观。

伊朗纳坦兹铀浓缩厂使用IR-4先进离心机

至于降低中子速度，最简单的方法是将核燃烧棒置于水中，用水做慢化剂。

此外，为精确控制裂变反应的速度，还需要在由诸多核燃料棒组成的堆芯中，视需适时插入一些由可吸收中子材料（例如硼、碳化硼、镉等）制成的控制棒，以此控制裂变反应释放出的中子数量，进而控制裂变反应速度。如果核反应堆所有的控制棒均一插到底，相当于将诸多核燃料棒互相隔离。如此一来，理论上每根核燃料棒发生裂变反应时所释放的中子，只有可能轰击处于同一根核燃料棒上尚未发生裂变反应的铀235原子核，而难以影响到其他核燃料棒裂变反应速度，整个堆芯的发热功率也因此得以降至最低。这就是所谓的“停堆”。不过，“停堆”并不意味着核燃料棒的裂变反应完全中止，它在自然衰变时依然能对外释放能量。

核燃料棒裂变释放的能量，以“热能”和“辐射”两种形式对外传导。鉴于核辐射对人体有害，因此核反应堆的堆芯必须被严格屏蔽，实现与外界隔绝。所以，堆芯核裂变产生的热能无法直接使用，必须通过某种中介物质传导出去。这种中介物质被称作冷却剂，也叫导热剂。如果没有它，核反应堆不仅无法对外持续稳定地输出可用功率，还会因为内部温度过高而导致堆芯融化，继而造成核泄漏事故。

根据冷却剂不同，核反应堆区分为各种不同的堆型。

其中相对小众的，是苏联于20世纪70年代建造的705型（北约代号阿尔法级）核潜艇的核反应堆。其为金属反应堆中的一种，用液态铅铋合金作为堆芯的冷却剂。虽然铅的单位重量比热容只有水的31％，但液态铅铋合金的密度接近水的10倍，因此从单位体积的比热容来看，铅铋合金是水的3倍有余。加之铅的熔点为327.502℃，沸点为1740℃，所以其单位体积所能对外传递的热量要比水高得多，从而在反应堆同等功率的情况下，可大大减少反应堆体积，极大提高功率密度，非常适合安装在“寸土寸金”的核潜艇上。

不过，高温的铅铋合金液体非常容易腐蚀包裹在堆芯外的金属屏蔽层和结构组件中的金属材料。此外，一旦停堆，液态铅铋合金会凝固在堆芯和管道里。因此这种堆型难以更换核燃料棒，属于一次性反应堆，待初始装填的核燃料棒到寿或发生故障需要维修时，反应堆实际就报废了。所以，705型核潜艇的反应堆建成时，会一次性装填可供使用15年左右的核燃料棒，待其消耗殆尽后便退役。纵观该型核潜艇，实际服役期均未超过15年。其中首艇1971年服役后，到1974年就因各种故障而提前退役，故而该型核潜艇虽创下不少世界纪录，但效费比极差。

近年来网上炒得火热的高温气冷堆，又称石墨气冷堆。与其他堆型温气冷堆将核燃料塞入一个个石墨球中，用石墨作为慢化剂，由惰性的氦气作为冷却剂。其优点是可以在反应堆中预存数万颗由石墨封装的燃料球，视需求将其逐一投入堆芯参与裂变反应，因而一次装料工作时间长。石墨的熔点高达3850+-50，比热容为710J/( kg*K )，氦气的比热容为5190J / (kg*K)，而水的比热容为4200J/(kg*K )即便氦气循环系统因故障停止运转，石墨和氦气本身也可吸收裂变反应产生的热量。只要石墨球中石墨和核燃料的重量比值超出一定范围，就能确保石墨球不熔化，从而确保堆芯安全。所以，高温气冷堆结构相对简单，安全系数很高。但这种堆型对石墨燃料球和氦气回路的加工工艺要求极高，而且由于气冷的效率不及水冷，故而这种堆型的功率密度不如压水堆。

以上两种堆型，均采用慢化剂来降低中子的速度。而另一种重要的堆型—快中子增殖反应堆（简称快堆），则走的是不同技术路径。研究发现，铀238在一定条件下被中子轰击后，会变成自然界不存在的钚239。钚239和铀235一样，也会裂变产生能量。于是，人们将加工好的钚239外面围上一层铀238，同时省却慢化剂，让钚239裂变产生的快中子直接撞击铀238，促使其转变成钚239。这种堆型的特点是核燃料产生的速度比消耗速度快：裂变反应开始后，堆芯中的钚239会越来越多，直至铀238全部消耗完。快堆的最大优势是能充分利用自然界中存量更大的铀238。

俄罗斯展示核潜艇反应堆的照片

但这种堆型需要用快中子轰击铀238，所以不能用水作为冷却剂，因为水同时也是中子的慢化剂。快堆内部的核裂变反应剧烈，需要导热性非常好的冷却剂。目前符合这些条件的只有金属材料，所以“高温液态金属冷却技术”是快堆的核心技术，甚至可以说是决定性技术。

目前较成熟的是以液态金属钠作为冷却剂的钠冷快堆。金属钠的熔点低至97.81℃，沸点却高达882.9℃，其比热容为1230J/(kg*K) ,且导热性非常好。但金属钠性质过于活泼，液态金属钠对管道又有腐蚀作用，易造成外泄。外泄的金属钠遇水会生成氢气，遇空气时也易与空气中的水蒸气和氧气发生化学反应，因此这种堆型虽然热传导效率高，但安全性存疑。因此只有早期带有浓郁试验性质的核潜艇，才采用过这种堆型。

目前各国核潜艇的主流堆型，均以水充当中子慢化剂和冷却剂。

让水流经核燃料棒，被裂变反应加热后生成的蒸汽直接推动汽轮，进而转化为机械能和电能，这种堆型就是业界所称的沸水堆。其优点是结构简单，制造成本低，缺点是生成的蒸汽中不可避免地含有放射性物质，其流经之处哪怕再怎么采取密封措施，均不敢保证蒸汽绝对不外泄。福岛核电站用的就是这种沸水堆，因此人们对其安全性存疑绝非杞人忧天。

目前核潜艇的主流堆型采用二回路设计

出于安全考虑，目前核潜艇的主流堆型采用二回路设计。即堆芯产生的热量由一回路的水循环导出，并将热量传导给二回路的水。二回路中的蒸汽发生器产生高温高压的蒸汽，驱动蒸汽轮机对外做功。含有放射性物质的一回路水便不会直接外泄，提高了安全性。

一回路中的水有轻重之分。采用普通水的，称作轻水堆。其优点是水的来源极其广泛，价格低廉，缺点是需要将核燃料棒中的铀235丰度至少提高到3％至5％，才能弥补水吸收中子的损失，确保裂变反应能持续下去并稳定输出功率。若用氘化水（俗称重水）作为慢化剂，就称作重水堆。由于氘核比氢核重，因此对中子减速效果更好，中子吸收率也更低，因此对铀235丰度的要求低，甚至可以直接将天然铀制成核燃料棒。但鉴于氘化水极难制备，所以轻水堆仍是主流堆型。

为提高核反应堆的功率密度，人们通常会给轻水堆一二回路中的水分别加压，以提高水沸点，继而提高其热传导效率，因此这种堆型又被称作压水堆。但一旦加压，管路及设备、外壳的耐压等级也要相应提高，这对材料强度或设备结构强度提出了很高要求。由于材料的强度受防腐蚀、防辐射等因素限制，提升空间有限，因此基本上只能通过提高结构强度，即适当提高材料厚度来达到相关要求，这就导致设备尺寸和重量增加。

对采用蒸汽弹射器的核动力航母来说，其核反应堆一二回路通常会加压到150个标准大气压以上，令回路中的水沸点超过300℃，二回路中的过热蒸汽温度甚至可达400℃至600℃，以满足蒸汽弹射器需要。而核潜艇所用的压水堆，出于平衡效率、安全性和系统重量的考虑，其二回路中的饱和蒸汽温度通常控制在200℃左右。

美国俄亥俄级战略核潜艇结构图

传统压水堆在一回路中安装了主循环水泵（又被称为主冷却水泵），用于驱动冷却水持续循环，以加速带走堆芯产生的热量并将这些热量传导给二回路中的水。该主循环水泵的功率极为可观，又被封闭在高温的反应堆壳体内，很难采取诸如加装厚橡胶垫之类的降噪处理措施，因此成为核潜艇主要机械噪声源之一，对提高核潜艇隐蔽性十分不利。

为降低噪声，人们在传统压水堆基础上，开发出利用热虹吸效应（利用液体的密度差产生驱动力）进行冷却剂循环的反应堆，称作自然循环堆。其冷却剂的核心驱动力来自堆芯加热的冷却剂和与二回路进行热交换后流回堆芯的冷却剂之间的密度差。这种设计需要增加核反应堆高度，其高度越大，冷却剂自然循环的效果就越好。然而，核潜艇耐压壳的直径是十分有限的，因此目前装艇的自然循环反应堆，只具备有限的冷却剂自然循环能力，仍需保留主循环水泵，以满足核潜艇高速航行时对输出功率的需求。在这种情况下，核潜艇不打开主循环水泵所能达到的最高航速，被称作“静音航速”。

例如，美制洛杉矶级核潜艇耐压壳体直径为9.9米。其打开主循环水泵后，水下最高航速可达34节，关闭该泵后所能达到的静音航速为12节左右。俄亥俄级战略核潜艇耐压壳直径为12.8米，加之技术进步，其自然循环堆效果更好，水下最高航速为25节，远不及洛杉矶级，但静音航速却可达20节，大幅反超洛杉矶级。

有资料表明，美英两国核潜艇压水堆的二回路，多采用立式U形管自然循环蒸汽发生器。其优点在于可在U形管底部设置排污口，进而适当降低对二回路管材和水质的要求，提高其安全性和可靠性。缺点是产生饱和蒸汽热效率不高，为保证蒸汽品质需要加装汽水分离设备，从而导致系统体积增大。

另一种是套管式直流蒸汽发生器，其优点是没有汽水分离设备，结构简单、尺寸紧凑，容易一体化布置，但缺点是排污不便。虽说反应堆一二回路内的循环水纯度极高，但仍然不可避免地会含有杂质。运行时间长了，水中杂质沉积在管材表面形成水垢，不但会降低热传导效率，还容易腐蚀管材。因此核潜艇中修时，还得更换一二回路内的水，必要时甚至要更换管材。

美国俄亥俄级战略核潜艇仍是美国海军的核心海基核威慑力量

说到一体化布置，是指将核反应堆的堆芯、主循环水泵、蒸汽发生器、稳压器等主要组成部件都集成在反应堆的压力容器内，其体积比传统的民用分散型压水堆紧凑得多，适宜安装在“寸土寸金”的核潜艇上。同时，一体化布置意味着接触堆芯的放射性冷却水都在反应堆压力容器之内进行循环，降低了因为冷却水泄漏导致放射性事故的风险。

由于核潜艇上的蒸汽轮机重量和体积严格受限，因此为了传递高功率，其转速高达数千转/分。而螺旋桨为提高效率、减少空泡噪声，要求转速不超过300转/分，最好低于100转/分。所以二者之间必须由减速齿轮箱作为传递功率的中介。由于蒸汽轮机和螺旋桨之间的转速差异过大，而且传递功率大，因此减速齿轮箱运行时会产生很大的震动，继而产生机械噪声。功率越大、减速比越高的齿轮箱，想控制噪声就越困难，这是基本物理规律决定的。

即便是核潜艇，大部分时候也是以低速在水下航行。这种情况下，机械噪声是潜艇航行噪声的主要来源。虽说可以为减速齿轮箱加装减震浮筏，但这只能在一定程度上削弱其产生的噪声，并不能从根本上解决这个问题。因此一些国家着手研究以电传动替代减速齿轮箱，以提高核潜艇静音水平。

《削减战略核武器条约》于2010年4月8日在捷克布拉格签署

民用核电站为节省成本，通常使用铀235的丰度在4％左右的核燃料棒，大约运行18个月就要更换三分之一的核燃料棒。而军用核反应堆既要追求高功率密度，又要尽可能减少停堆换核燃料的频次，那就得使用丰度超过15％的核燃料棒。不过，核燃料的丰度越高，价格也越高。有一种说法，98％丰度的核燃料，其价格是10％丰度核燃料的20倍左右，所以必须要仔细核算经济账。冷战结束后，美国利用《削减战略核武器条约》，实施了一个名为“兆吨换兆瓦”的计划，于2000至2015年间买下俄罗斯从退役核弹头中拆解的约500吨高浓缩铀，稍加稀释后制成高丰度核燃料棒，有一部分转用于该国核潜艇反应堆中，算是非常有效的废物利用。