张金麟，研究员。河北省栾南县人，1936年出生，1960年毕业于哈尔滨工业大学动力系，曾参加我国核动力装置的研究开发和早期核电站的发展及建设。获全国科学大会奖和国家科技进步奖。不久前的一天，本刊记者带着诸多问题采访了张金麟研究员，以下为访谈实录。 记者：我们知道，在研制核潜艇时，建造了陆上模拟堆，建造船用反应堆都要建造陆上模拟堆吗？陆上模拟堆起什么作用？ 专家：回答这个问题应先说明模拟堆的概念，模拟堆不仅仅是一个反应堆，它是以反应堆为中心的一座核动力装置，陆上模拟堆指的是装实船的动力装置原型。 陆上模拟堆起源于美国，在研制世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号时，美国建造了第一座陆上模拟堆S1W。1953年试验成功后，其装实艇的同型反应堆S2W成功地装备了“鹦鹉螺”号核潜艇，从此开创了核潜艇陆上模拟堆的历史。 要说清楚在建造船用反应堆之前为什么要建造陆上模拟堆，必须从美国20世纪40、50年代发展军用舰船工程的技术路线说起，在那个年代，美国舰船局曾规定：“在较有传统的工程领域里，即使所有条件都具备了，如果没有完整的实验室设备演示支持，海军一般是不会批准用到船上的”。美国海军把发展核动力舰船建造定位为传统的工程项目。 在20世纪50、60年代，美国发展核动力舰船都是按照这样的程序，凡承担舰船反应堆的承包商，如美国西屋电气公司的贝蒂斯研究所，通用电气公司的诺尔斯研究所，在承担一新型的潜艇反应堆建造时，都要建造陆上试验台架式的反应堆装置，用以观察它的运行状态，必要时对其进行修改、培训各类人员，试验成功后进行鉴定，经再次设计后才装到实船上去。 建造陆上模拟堆也有不同的做法，美国早年在发展S1W陆上模拟堆时，曾提出过两种方案。一种方案主张在陆上建造分散的试验室式的陆上反应堆装置，它的优点是可以方便设计、制造、安装、调试、运行检查和维修。而当时美国海军核推进计划负责人海曼·里科弗坚决主张，从一开始就将台架式的陆上模拟堆的反应堆和蒸汽动力装置按实际潜艇一样布置，这样就不需要经过几个建造阶段后才能取得与实艇布置一样的反应堆装置。他认为通过陆上模拟堆的建造，船厂可以获得极为珍贵的建造经验，潜艇艇员可以受到真实环境训练。 海曼·里科弗把他的这种主张归纳为“MARK-I等于MARK-Ⅱ”公式表示。在安排实施计划时，为能保证一次成功，他要求模拟堆的每个部件都必须比装艇的部件提前几个月制造成，在模拟堆上的一些修改必须反映到装艇的反应堆装置上去。这样的模拟堆可以认为在总体上“MARK-I等于MARK-Ⅱ”，而MARK-Ⅱ的情况比MARK-I更能满足实际核潜艇的要求。所以许多人认为海曼·里科弗研制潜艇核动力装置的思想体系和理论是非常科学和实际的，后来苏联、英国和法国决定研制核潜艇时，首先建造与实艇布置一样的陆上模拟堆，使得各核大国在20世纪50、60年代都是先建成潜艇陆上模拟堆，接着建成拥有核潜艇。 记者：请您介绍一下国外船用反应堆建造陆上模拟堆的情况 专家：美国早年在发展军用舰船的过程中，为核潜艇、核动力驱逐舰和核动力航母研制的反应堆，承包商都建造了相应的陆上模拟堆。就其核潜艇而言，凡是堆型、布置形式、功率等有变化时都要建造一座陆上模拟堆，使之为各型舰艇研制的反应堆都获得一次成功没有反复。美国核动力舰船建造的各类陆上模拟堆见表1。 除表中所列的陆上模拟堆外，也有报道称“三叉戟”弹道导弹核潜艇用的S8G反应堆，诺尔斯研究所也建造了陆上模拟堆。 1952年，苏联决定建造第一艘627型核潜艇时，同美国一样按压水堆和液态金属冷却反应堆两种堆型同时研制，也建造了两种堆型的陆上模拟堆。准备装627型核潜艇的压水堆代号为“BMA”，其陆上模拟堆的代号为“27/BM”，液态金属冷却反应堆代号为“PM-1”，陆上模拟堆的代号为“27/BT”，这两个模拟堆建在莫斯科附近的奥勃宁斯克训练中心。 当苏联决定研制小型多用途高速750型核潜艇时，由水压机实验设计局研制的“BM-40A”液态金属反应堆也建造了“KM-1”陆上模拟堆。 苏联研制核潜艇的特点是数量多、型号多、承担研制的单位多，为此，从研制第二代核潜艇起，军方要求装艇的反应堆向标准化方向发展。1958年在竞争第二代667型核潜艇方案和装艇的反应堆“BM-4”方案时，要求反应堆在第一代反应堆功率基本不变的情况下，降低体积重量，提高工艺性、可维修性和装配集成化水平，作为第二代核潜艇的通用堆型。“BM-4”型反应堆至今没有见到建模拟堆的报道，但从“列宁”号核动力破冰船第二阶段改装时，其反应堆和一回路的布置与“BM-4”型反应堆要求完全一致，可以推测改装后的“列宁”号核动力破冰船反应堆舱模块化布置，就是“BM-4”反应堆的船上模拟堆。 1964年，苏联特种机械设计局（OKБM）根据海军提出的通用型模块化布置艇用反应堆的要求，研制了堆舱尺寸与第二代“BM-4”反应堆相同，但功率增加一倍，能用铁路运输的OK-650Б型第三代反应堆。并于1968年批准建造OK-650Б型陆上模拟堆“KB-1”，并于1975年建成，又于1976年10月29日结束试验，成功地装备苏联第三代941型（“台风”级）、949A型（“奥斯卡”级）等各型核潜艇。 在第四代核潜艇进行概念研究的初期，有关部门要求研制单位探索第四代装艇反应堆方案，其指标是要求增大反应堆功率，但尺寸和重量与第三代“BM-4”反应堆相同，此外还增加了一些创新要求，所以在1981年2月28日在第三代陆上模拟堆“KB-1”原址内建造了全自然循环一体化反应堆“TM-4”。该堆于1996年3月7日完成试验，又于同年4月18日由现俄罗斯原子能部、国防工业部和海军批准验收，作为俄罗斯第四代核潜艇的备选方案。 英国海军部1954年决定潜艇采用核动力，1955年决定在原子能管理局附近建造陆上模拟堆，1958年开始建造并要求1960年1月达到临界。但在建设中遇到了材料、焊接、设备加工和检验等一系列工程问题，工程推迟到1965年用罗-罗公司制造的反应堆活性才达到临界。由于陆上模拟推的推迟，英国第一艘“无畏”号核潜艇的反应堆不得不求助美国的帮助，用美国的S5W反应堆，才使“无畏”号核潜艇于1960年10月31日在巴罗因弗内斯下水，1963年4月14日服役。这说明没有陆上模拟堆成功的支持，是不能靠自力更生建成核潜艇的。 1976年英国海军对新型潜艇核动力经过较长时间探讨研究后，确定改一体化反应堆，仍采用分散布置的压水堆方案，但要求增大功率、增大安全裕量、增大抗冲击能力、降低噪声、延长活性区寿期和方便进行在役检查。按这些要求设计的反应堆需要在陆上模拟堆上考核试验，于是又建造了一个新的陆上模拟堆（STF2）。它的特点是只有反应堆舱部分，没有二回路推进装置部分，反应堆核能产生的蒸汽只用1台汽轮发电机和泄放蒸汽设备消耗。从这可以看出这个陆上模拟堆建设的主要目的是只要求反应堆和一回路部分进行充分考核。这时英国海军对新型核动力二回路部分是依靠“快速”级和“特拉法尔加”级二回路设计的改进来达到海军的目标要求。英国根据他们陆上模拟堆在海军统一管理的国情和核潜艇的型号和数量都比较少的特点下，又展现了一种新的建设陆上模拟堆的思路。 法国1954年提出建造核潜艇计划，1957年决定核动力采用压水堆，1959年在萨克莱核能研究中心成立核动力推进部，1960年1月批准核动力方案，12月在卡达拉希核研究中心建设陆上模拟堆PAT，1964年9月24日达到额定功率。1966年3月反应堆压力壳装入第一艘弹道导弹核潜艇“可畏”号。 1973年1月，法国海军批准建造第一艘攻击型核潜艇，首艇于1976年12月11日在瑟堡海军船厂开工，但它的反应堆没有建造与实艇一样的陆上模拟堆，而是采用卡达拉希核研究中心为舰艇、边远地区小型核电站、移动式电站等多种用途通用的反应堆原型CAP反应堆。该堆1971年开始建造，1975年11月临界、12月满功率，用它装备了法国攻击型核潜艇（“红宝石”级），首艇于1979年7月7日下水，1983年4月28日服役。 法国与英国类似，陆上模拟堆研制完全置于核潜艇研制管理体制之下，加之核潜艇的型号和数量都比较少，当装艇反应堆技术突破后，重点是发展通用型多用途的反应堆，上述发展的独特的CAP堆型装备了当代法国的攻击型核潜艇、弹道导弹核潜艇和“戴高乐”号航空母舰。 记者：您能谈谈现今潜艇用核动力装置的发展状况吗？ 专家：自1955年核潜艇诞生以来，装核潜艇的反应堆只有两种类型，一种是压水堆，另有少量的液态金属冷却的反应堆，也称为液态金属堆。液态金属堆的热效率较高，可以使核动力装置的尺寸小而获得较大的功率，如苏联的A级攻击型核潜艇，因装备了液态金属堆使艇获得高达43节的航速，成为世界上最快的核潜艇。但因为在使用期间其安全性、可靠性和维修性差，不得不提前退役。只有压水堆型至今在现役和在建的核潜艇占据着“统治”的地位。 如美国的核潜艇从“鲣鱼”级采用的S5W反应堆到“海狼”级核潜艇采用的S9G反应堆，几十年演变的结果，除了功率变大、功率密度变高、寿命更长、安静更好外，再就是布置形式的变化和反应堆自然循环能力的变化。 美、英、法和苏联第一代核潜艇反应堆舱的布置，基本上都采用S5W相类似的分散布置形式。它们的差别是蒸汽发生器一个采用自然循环式，另一个采用的是直流式蒸汽发生器。从第二代核潜艇开始，美国、法国和苏联反应堆的布置形式趋向紧凑、模块化甚至一体化的布置结构，这种布置形式的变化可以简化系统、减少设备和附件，减少自身能量消耗，减少体积和重量等，如美国的“海狼”级核潜艇反应堆比“洛杉矶”级反应堆增加10%的重量而获得提高50%功率的成就，而且反应堆的自然循环能力达到30%满功率能力。 在上世纪70、80年代，苏联的OK-650Б第三代核蒸汽供应装置，将蒸汽发生器和主泵布置在反应堆周围，是典型的模块化布置，而且形成5万马力标准型的核蒸汽供应装置，成功地装备了他们的“塞拉”级、“AK”级攻击型核潜艇，“奥斯卡”级巡航导弹核潜艇和“台风”级弹道导弹核潜艇。在同一年代，法国开发了CAP型反应堆，将蒸汽发生器布置在反应堆的顶盖上，形成典型的紧凑型的模块化布置。 90年代苏联又开发成功第四代内装式全自然循环一体化“K TП-6”型反应堆，作为俄罗斯第四代核潜艇的备选方案。 以上这些是美、苏、法等国在上一世纪开发并成功地装备各型核潜艇的核动力装置，它们都能在21世纪延续使用一定时期。 记者：国外对潜艇新型核动力装置都有哪些探索？ 专家：上世纪末，国外对潜艇核动力装置中的压水堆改进和提高有一种看法，认为压水堆的功率密度达到一定限度再进一步提高代价十分昂贵。所以1990年3月美国海军核推进部主任布鲁斯·德马斯上将告知国会海上力量小组委员会说：在一个成熟技术领域，要使性能改进，其难度将按指数规律增加。 1987年克雷格·菲尔兹曾在国会上建议研究气冷反应堆和将堆芯的热量直接转换成电力的热离子系统；1992年4月25日布鲁斯·德马斯上将曾说：他看到了两种远期可能的替换装置，已将研究和发展经费投向高温燃气循环，投向热离子、热电转换和其他静态转换循环中。热离子和热电系统避免了中间的蒸汽循环，并能直接把热转换成电。由于不需要像压水堆那样的一、二回路去完成转换任务，使反应堆的系统和设备都能被简化，而且减小尺寸和重量，能使装置更能抗震。 在1996年第五届国际潜艇会议上，俄罗斯的库泰尼科夫和美国的穆勒等在“新技术与21世纪潜艇”文章中提出：高温、低温超导肯定会在21世纪应用，俄罗斯将首先用于潜艇电力推进装置，直接转换技术的开发已完成，从而将不再需要涡轮机及其辅助机械设备，那时潜艇面貌也将大大改观。 2001年7月美国《海上力量》杂志在题为“明天潜艇推进系统——电力驱动”的文章中称：转子机械（汽轮机或内燃机）运动推进可以用高功率直接能量转换取代，在那里核反应堆的热能可直接转为电能。 美国海军在《2000—2035年海军技术发展规划》中认为，热离子技术和热光电技术，在2010年以后可能实现。 因为航天需要的推进动力或电力都不能用转子机械提供，只能用直接能量转换提供，所以2004年有报道说：美国国家航空航天局与美国能源部核军工管理局签署备忘录，拟将美国海军反应堆技术应用于空间核动力系统。并共同开发能在宇宙空间的严酷条件下使用的反应堆，可提供充足的电力和燃料费用更低的离子引擎。美国的目标是2010以后木星卫星探测器装上核动力反应堆。 这些探索都说明，潜艇核动力装置可能的发展方向是利用反应堆的高温热量直接转为电能，而不用压水堆和一、二回路机械装置转换来满足潜艇推进和全艇电能的需求。为了求得较高的转换效率，必须选择其他高温并能直接转换的堆型。 记者：国外对热离子和热电反应堆不断有发展情况披露，您认为可靠性有多大？ 专家：前面讲过，美国核潜艇从“鲣鱼”级到“海狼”级所用的压水堆除功率更大、功率密度更高、布置形式和噪声水平有变化外，其余基本变化不大。“海狼”级的辐射噪声水平已达到110分贝，相当于海洋背景噪声水平，若继续用压水堆由一、二回路机械转换的方式生产电能，要求核动力装置再进一步降低核潜艇的噪声也是难上加难。正因为如此，从上世纪90年代以来，人们对潜艇核动力装置的探讨方向集中转向由核能直接转换电能的探讨，以达到潜艇的安静化。 从50年代末开始，苏联和美国同时开展用核反应堆作为空间能源的研究工作，他们认为空间核能直接转换电能的装置功率大，结构紧凑性好，无冲击和振动，比其他能源有明显的优越性。 80年代俄罗斯的托巴斯计划和美国90年代的SP-100计划，已使空间热离子反应堆及其动力装置设计能够达到使结构尺寸和重量较小，并能延长运行寿期，无需维修和换料，而且安全性好、可靠性高。目前美、俄空间热离子反应堆动力系统的功率可达到兆瓦级，寿期可以达到10年以上。至今俄罗斯还有10多家研究设计单位从事核能发动机用于宇航研究。 近年来有消息说俄罗斯政府决定为适应2010年以后航天事业的需要，要为制造功率500千瓦以上的空间核动力设备打好技术基础。 美国宇航局正在全力准备实施代号为“普罗来修斯”计划，今后在宇宙飞船上装备核发电机，它除了提供推进飞船所需的电力外，还可为飞船上的电子设备与休斯敦发射中心通讯联系提供电力。 美国通用原子公司于上世纪90年代研制了一种热离子反应堆系统，目标是一种能产生500～5000千瓦电功率的装置，其低功率作为蓄电池充电，高功率装置能驱动一艘3000吨的潜艇。 美国海军人员托斯特先生曾以类似美国“鲟鱼”级攻击型核潜艇为基本型，将其PWR改为SP-100型热离子反应堆组成的潜艇核动力装置。经过计算进行比较，可使核潜艇水下排水量仅为标准型的80%，相对减少了744.4吨，一、二回路推进装置减少了280吨。由于减少了设备，降低了噪声。简化系统的同时，可以减少艇上操作和维护人员，装热离子反应堆的核潜艇的这些特点，将使其综合性能发生一次新的革命性的跃变。 日本《朝日新闻》去年报道说美国国家航空航天局（NASA）与美国能源部核军工管理局（NNSA）合作批准美海军反应堆技术应用于空间核动力系统。NASA对海军反应堆评价为“安全、坚固、持久可靠”希望能合作开发在宇宙空间严酷条件下使用的反应堆。能使宇宙飞船或探测装置使用燃料耗费更低的热离子反应堆。这条消息说明：美国已开发成功了海军用的大功率热离子反应堆系统，并可以将此技术用于美国布什总统“探索月球、火星甚至更远空间”的开发计划。 以上这些仅是美俄关于热离子、热电反应堆应用于航天和潜艇的研究发展概况的点滴介绍。当前美、俄是否已应用于预研和在建造的核潜艇中尚没有确切的报道。但有消息说俄罗斯第四代攻击核潜艇“北德文斯克”级将从第2号艇开始将安装热离子反应堆系统。 记者：请您谈谈“小堆”与“大堆”的区别、“小堆”的特点、“小堆”与AIP装置的区别。 专家：“小堆”、“大堆”不是专业名词，而是国内的一种俗称，所谓“小堆”是相对大功率反应堆而言，目前常说的“小堆”是指能发出电功率1000千瓦左右的反应堆动力装置称其为“小堆”。它常用于常规潜艇加装作为AIP动力装置中的一种，是核能的AIP。在潜艇行业内所指的AIP装置属于非核的有闭式循环柴油机、斯特林发动机、燃料电池装置等这些装置都可以满足1000～2000吨级常规潜艇长期低速水下航行的电能要求。当今瑞典装斯特林发动机的潜艇、德国装燃料电池的潜艇都是非常成功的非核AIP潜艇的典范。当然美、俄正在探索研究的小功率的热离子反应堆也可称为“小堆”。 据报道，加拿大开发的自给式船用动力装置（AMPS）是典型的潜艇AIP动力装置，它也可以做到暴露率为零。AMPS是1座低温低压轻水冷却反应堆热源装置。这种反应堆装置的特点是：堆芯功率密度比较低；冷却系统采用低温、低压系统使得容易制造和维修；靠非能安全系统导出堆芯剩余热量，而不是依赖于耗费电力的备用系统和设备导出堆芯余热；反应堆的固有安全性好；反应堆换料周期长，一炉料可用7年；反应堆具有较大的负温度系数，并能适应快速反应性变化的控制、调节能力。 因为用小型反应堆作为AIP装置具有以上的特点，它与非核AIP装置的主要区别是不需要储存氧、氩、氢等气体作为燃料的情况下，可以做到潜艇的“零”暴露率。这时潜艇的支持力理论上是无限的，实际值是取决于艇员的体能和艇内的生活条件。 记者：请您为我们杂志写几句话。 专家：《现代舰船》是传播国内外舰船信息的源地，是船舶专业人员依赖的资源。 记者：谢谢您的鼓励，我们会更加努力。也谢谢您接受我们的采访。