核動力是目前人類掌握的最高層級的艦艇動力形式,核動力航母則是技術含量最高的武器裝備之一,儘管集中了人類最頂端的技術和工業製造能力,在艦艇推進電力化趨勢日益明顯的情況下,核動力航母電力推進仍短時內難以實現。核動力航母靠反應堆中易裂變元素的裂變釋放的能量提供動力,裂變能通過反應堆一回路冷卻劑傳遞至二回路產生蒸汽(現役航母均是壓水堆),進而推動汽輪機(注意,不是燃氣輪機)帶動螺旋槳推動航母。核動力航母之所以不將核反應堆產生的能量先發電再作為航母的動力,最主要的原因是艦用發電和電力推進系統、裝置的成熟的和可靠性不足!
目前最先進的“福特級”核動力航母仍採用汽輪機帶螺旋槳的驅動方式
人類採用核反應堆發電獲取電能已有半個多世紀的時間,全球範圍內在執行的核電反應堆超過400座,核電技術已經發展到第三代,工程應用也已非常成熟,目前功率最大的核電機組是法國的EPR機組,其電功率達到了1700MWe級(約合230萬馬力!),全球首臺EPR機組已於去年在中國廣東臺山併網發電,因此,陸上核電技術和裝置配套已非常完善。但是,現有的核電裝置主要是應用在陸上廠址,無法直接用於海洋條件及軍用艦艇。
核電站總大功率汽輪機轉子,尺寸龐大
任何艦艇裝備在設計、製造、應用之前都必須經過嚴苛的分析、論證和試驗驗證,海洋條件和軍用艦艇應用需要考慮三個方面的影響,一是海洋搖擺和傾斜條件、二是要考慮外部衝擊、三是結構緊湊且要有極高的可靠性。現有路上核電裝置在設計時並未海洋條件和軍用說關注的因素,而且整個核電系統的結構尺寸非常龐大,並不能照搬到艦艇上應用,這也是為何全球有幾十個國家擁有核電站卻只有美、法兩國能夠擁有核電力航母的原因之一。
艦艇動力系統還需要能夠承受戰時各類爆炸的衝擊
首先拿艦艇發電裝置來說,目前全球範圍內功率最高的艦艇發電機組是英國“伊麗莎白女王級”航母、45型驅逐艦和美國DDG1000驅逐艦上應用的20MWe發電機組,這個功率級別與現役的核電發電機組差距懸殊(2個數量級),最主要的原因是在海洋搖擺條件和大沖擊情況下,汽輪機、發動機組的主軸無法像陸上機組做的那麼長,限制了功率的進一步提升!
第二是發電機組和電推系統在海洋條件下的可靠性會大打折扣。由於在海洋航行中需要面臨各種惡劣的海況,以及海水/霧氣具有極強的腐蝕性,導致動力系統發生故障的可能性大幅提升,尤其是對於工作環境十分敏感的電力裝置。目前全球範圍內僅有的三個型號的電力推進艦艇,在服役之初都出現了不同程度的動力系統問題,包括英國的“伊麗莎白女王號”航母、45型驅逐艦和美國的DDG1000驅逐艦,英國皇家海軍甚至出現了全部6艘45型驅逐艦同時在港維護的情況(動力系統佔主要因素)!即便目前上述各型艦艇的綜合電力推進系統執行已相對比較穩定,但是在戰時具體表現如何還存在極大不確定性。
第三是核動力航母在設計時需要考慮動力系統的冗餘型和相互獨立性,具體的說就是核動力航母一般會至少裝備2座反應堆、2-4具螺旋槳以及輔助柴油機動力系統,即便1座反應堆、1-2具螺旋槳受損也不會喪失全部動力!如果是採用核反應堆發電驅動航母,那麼一旦電力系統受損,很可能造成全艦失去動力;如果再配置一套機械傳動系統,那麼無疑將會使整個動力系統複雜化,得不償失!
當然,核動力航母電力推進也不是沒有前途,隨著艦載武器、裝備電磁化程度的不斷提升,艦艇綜合電力的優勢將於愈加明顯。美國海軍最新的“福特級”核動力航母首艦“福特號”已於2017年服役,採用的仍是汽輪機帶動螺旋槳的傳統推進方式,但是按照之前美國海軍公佈的資訊,計劃在4號艦採用綜合電力系統。但是,類似航母這樣的巨型艦,想要電動化難度十分巨大,即便一切順利的話,“福特級”4號艦也需要到2030年後才會落實。任何革新性的技術進步都需要足夠的時間和投入才能實現,大型核動力電推航母何時才能成為現實,還需要耐心等待。