【軍事博評】張競:由核轉常不容易 核能動力更艱辛

2021-09-22 10:47:34 最後更新日期:2021-09-23 10:12:57
張競

中華民國榮民,曾任海軍中權軍艦艦長,美國海軍戰爭學院績優畢業,英國赫爾大學政治學博士,目前在大學執教國際關係等政治學入門課程。勤於媒體針砭時政與探論國際現勢,亦經常接受媒體電訪;偶爾出席政論節目,評論政軍議題。

USS Los Angeles (SSN 688) enters Apra Harbor in preparation for a port visit in Guam, July 27, 2001.  The fast attack submarine is returning from participating in the seventh annual Cooperation Afloat Readiness and Training (CARAT) 2001 exercise in the Western Pacific.  (U.S. Navy photo by Photogragher's Mate 2nd Class Alan D. Monyelle) (RELEASED)編按:由於AUKUS的援建核潛艇方案最快也要2040年才能成軍,澳洲軍方已建議租借剛退役的洛杉磯級核攻擊潛艇「頂著用」。然而現役洛杉磯級中,最新的都有25年船齡,最舊的更有36年船齡,就算是一般柴電潛艇都是相當老舊,何況是這種在航時數更高的潛艇。(美國海軍圖片)

最近因為美國、英國與澳洲出人意外地以共同聲明方式,對外宣稱成立以AUKUS為名之安全技術合作關係,引起全球政治評論者與軍事觀察家密切關注;而其中最受人矚目知合作項目,就是澳洲中止原先與法國合作之傳統柴電動力潛艦建造商約,並且新起爐灶決定尋求美國與英國幫助,轉向發展核動力潛艦。

其實澳洲政府有意放棄本項與法國合作造艦計畫早有跡象;依據倫敦泰晤士報9月18日報導顯示,早在今年三月英國海軍首長(First Sea Lord)拉達金爵士(Admiral Sir Tony Radakin)赴澳洲參加會議時,就由澳洲海軍司令努南中將(Vice Admiral Michael Joseph Noonan)探詢由英美協助澳洲建造核動力潛艦之可能性。當然後續就由英國首相府直接主導,並賦予「無鉤行動」(Operation Hookless)專案代名,與美國展開相關協商行動,最後才在宣布建立AUKUS安全合作關係時,將整個英美協助澳洲發展核動力潛艦建造方案端上檯面公諸於世。

barracuda trial5編按需要指出的是,法國當初「拍心口」可以將蘇夫倫級核動力潛艇改成柴電潛,其實不無原因—一來蘇夫倫級只有5千多噸,二來蘇夫倫和之前的紅寶石級一樣,核動力是用來發電再推動潛艇電動機令潛艇航行的,而不是直接推動渦輪機及大軸,理論上只要把核反應堆及渦輪發電機改成其他AIP動力的常規發電機,即可產生足夠電力用於航行。只是……這樣改雖然比核動力潛艇直接改成常規容易,但實際上結構更改及加上更多新電池,仍有不少困難,而且現時AIP動力最多就滿足3000多噸級的潛水艇而已,要滿足5千多噸的船體,實在有點困難。圖為蘇夫倫級潛艇首艦蘇夫倫號。(圖片來自軍武狂人夢)

但回過來思考,為何從2016年4月26日澳洲譚保(Malcolm Bligh Turnball)政府宣布由法國得標,自法國梭魚(法語:Suffren/英語:Barracuda)級核潛艦為基礎,專門為澳洲所量身打造修改設計短鰭梭魚(Shortfin Barracuda)級,在歷經五年多期程內,為何相關修改作業始終無法獲得澳洲海軍認可,由核動力改裝成為常規柴電動力,到底技術瓶頸是在何處?下面所提要素,確實值得深入思考。

在此必須提醒,柴電動力潛艦推進系統是由柴油發電機產生電能,經過整流轉換過程,變成直流電能將電瓶充滿,然後再由電瓶帶動與推進俥葉大軸連接之直流馬達,或者是將電能傳送到無軸推進系統中,在艦體外牽引帶動俥葉之定子,以便控制俥葉轉動產生推進排流,而更新型運用幫浦吸排流產生推力之潛艦動力系統,其實也是採取此種基本架構。

EBmGHivXUAAO 6P編按:事實上就算是AIP(絕氣推進系統)潛艇,都用同一種動力架構,只是用以發電的機制或電池有所不同,例如使用液氧代替空氣作助燃劑的閉式柴油機、利用閉循環活塞式熱機原理的斯特林引擎,以及利用氧化劑及燃料實行化學發電的燃料電池。圖為使用斯特林主機原理的瑞典新世代A-26型潛艇。(圖片來自Hi Sutton網站)

但是由於核動力潛艦核子反應爐先經過熱交換器,產生高壓蒸氣帶動蒸氣渦輪發電機(Turbine engine generator)所能產生電能相當足夠,因此就可跳過將電瓶充電,再由電瓶帶動後續動力系統之環節,所以在正常狀況下是由蒸汽渦輪發電機所產生電能直接透過整流後,帶動主動力系統,並同時將電瓶充電;以便在蒸氣渦輪發電機故障時,改由電瓶帶動主動力系統。

因此由前述簡單說明,吾人就可理解到,假若要從核動力主推進系統改裝成為柴電動力系統,就會產生下列各項涉及動力系統改裝工程;首先就是要去除核子反應爐,再加上與其配套之熱交換系統、鍋爐給水系統、蒸氣渦輪發電機系統以及由蒸汽渦輪發電機所直接連結主動力系統之聯結離合變速箱系統。

 2 Figure1 1編按:德國212型潛艇結構簡圖,和之前的209型潛艇一樣,至少佔一層的底艙幾乎被整個佔用作電池艙、柴油艙及其他維生氣體及潛艇上浮用高壓氣體的艙室。若使用核動力的話,電池艙至少也不用這麼大……(照片來自semanticscholar網站)

其次就要重新改裝整個主動力電力傳輸配置體系,從更換裝備重新增加柴電動力發電機,再連結到整流轉換裝置,然後再考慮原先與核動力推進系統相互匹配,作為蒸氣渦輪發電機故障時,作為備援系統之電瓶組合,是否能夠滿足經常性主動力之工作能量需求,以及由電瓶後續連結到主動力馬達,或是與無軸主推進系統俥葉定子相互連結之相關電力線路。當然從核動力系統轉換成為柴電動力之後,必然就要考量到原先未裝設之燃料油櫃設計,以及相關主動力油料供給系統。

main qimg 編按:電力及續航能力問題一直以來都是柴電潛艇的死結,就算引入AIP動力以來都沒能很好的解決。不過在八十年代加拿大和法國(以及蘇聯)曾想過另一條出路—加拿大1980年代在追求購買英、法核潛艇(加拿大級)的同時,曾和法國展開另一個平行計劃,即為柴電潛艇加裝一個名為AMPS、重70噸的低功率小型反應堆,為潛艇電池充電及提供淡水。除此以外加拿大亦打算為自己的奧布朗級潛艇加裝自家小型核反應堆Slowpoke-2,不過最後也因冷戰結束及當時的維護過於麻煩而放棄。若這種混能潛艇能搞成,潛艇不但有更充裕電力可用,且可保持長期中途巡航及短期高速航行,可部署性也會大大提高。就現時來說,只有解放軍可能在搞類似的「充電寶」混能潛艇計劃,不過也只是傳聞而已。(圖片來自 Navalreview 及 saoc-central 網站)

從核動力系統轉換到柴油動力,最會讓整體設計產生翻天覆地變化因素,其實是源於當初由核動力帶動蒸氣渦輪發電機,其所能供應電力負載額度相當寬裕,因此在此種前提之下,所有艦船操縱、控制翼面、操舵系統、溫度控制、空調環控、武器系統、通信系統、電子系統與戰鬥系統,所有各項裝設在核動力潛艦與其相互配套系統,原則上都不必考量電力負荷,這對於系統發展與設計來說,絕對是極大福音

但是當轉換成為柴電動力系統,所有電力負荷就須錙銖必較,因為其整體電力負荷能量相當有限所致。特別是在艦船整體設計上來說,所有各項系統之間都必須能夠相互匹配,而電源供應負儎能力更是牽一髮而動全身,所以當從核動力潛艦轉換改裝到傳統柴電動力系統時,就影響其他子系統之電源供應,基本上就是最具體由儉入奢易而由奢返儉難之情境。

trench編按:由於五十年代後期美國的A2W航母用反應堆每個頂多只能提供30000匹馬力,要配備8個才能作為巨型航母的動力,故當時相當複雜的配備四個動力艙,每個動力艙配一個圍阻體(兩個反應堆)及相關的熱交換機組,然後再配兩座渦輪機,動力系統異常複雜,然後再經十多年的研究,才有高度集成的A4W反應堆機組,一艘尼米滋級只需兩個就夠用。原本中間還有一個A3W機組,雖然一艘航母可配四座,但仍被視為過度複雜,最終只有陸上測試堆而已。(圖片來自secretprojects 網站)

美國當年雖然以堅定意志要發展核動力航空母艦,但從企業號航艦必須使用八具A2W核子反應爐來支應動力,讓該級航艦到最後只有企業號,而從未再有任何同級航艦,就可以理解到主動力系統是多麼地茲事體大。等到尼米茲級主動力系統改為由兩具A4W核子反應爐就足以支應所有動力需求時,並且順利建造共計十艘同級航艦,就可理解動力系統能量在艦船設計上,此項因素極度重要。

Fr Barracuda 2編按:2015年時還在組裝中的蘇夫倫號。法國短鰭梭子魚的建設案相方爭論甚多,但引致延遲其中一個最大致命傷,是蘇夫倫號在最後組裝階段發現比較嚴重(但沒有公開)的技術問題,結果拖了三年,該艦才能解決問題並交付海軍。因為這個問題,導致常規版本的一些設計工作也被迫停滯。(圖片來自軍武狂人夢 / DCNS[後來改名成 Naval Group])

當能夠理解到為何法國在改裝梭魚級核子動力潛艦成為傳統動力時,必須面對如此多要重新計算與更動項目時,就可以理解到儘管耗費五年時間,法國還是無法讓澳洲完全滿意並接受其改裝設計,確實是有其技術瓶頸。

但是坎培拉政府決定轉向美國與英國,另起爐灶重新再來,由這兩個國家提供核動力技術,來幫助澳洲發展潛艦時,其實更是充滿各種風險。澳洲本身對於核能技術能量相對較低,1998年澳洲國會通過禁止使用核能相關法案,再加上周邊國家在獲知此項決策,紛紛表達負面評議與各項疑慮,看來未來要克服重重難關,確實將是嚴重考驗

rubi1280編按:上圖為至今為止全球最小的核攻擊潛艇紅寶石級的內部構造圖。法國核工業部門為本級開發出全球首創的一體化一迴路壓水式反應堆CAS-48(最上圖),雖然功率不高,但特點是堆芯結構與體積均大幅簡化、縮小,反應堆亦能在中低功率輸出下,不用水泵也能實行自然循環,噪音亦降低不少,而透過反應堆燃料架構變更,單用低濃縮鈾核燃料(有指是7%20%)已可運作5-7年。其附帶的另一個有利條件是-反應堆直徑不大於兩米,不用切割耐壓殼,單單打開耐壓殼的天蓋,即可整個吊出直接送到燃料廠拆裝燃料,省卻切開與焊回耐壓殼的功夫,同時船廠工人也可進行其他維修,工期可節省到只需3-5個月(可按連結資料查看第100頁註釋10) 。要知道同樣工序,英美的核潛艇至少要12個月!(圖片來自網絡及fissilematerials 網站)

但鮮少遭人注意的是全球現在共計有六個國家使用核動力潛艦,其中美國與英國海軍潛艦反應爐是使用鈾U235濃度高達93.5%,列屬於武器級之高濃度鈾(HEU:highly enriched uranium)核燃料;俄羅斯與印度雖然亦是使用純度到達武器級高濃度核燃料,但其U235燃料濃度數值僅為大於或等於20%;全球只有中國大陸與法國之核動力潛艦是使用低濃度鈾(LEU:low enriched uranium)核燃料,因此其潛艦在服勤期間內,其反應爐添加核燃料所需次數就要遠多於其他四個國家。

英美之所以如此堅持使用高濃度鈾核燃料,其著眼點就在於能夠避免在較短期程內必須定期添加核燃料;相對於企業號添加核燃料之頻率,尼米茲級航艦核反應爐添加一次燃料,可供該級航艦服勤13至15年之久,其中重要因素就是因為使用武器級高濃度鈾燃料。

71 Figure5 2 1編按:鈾鋯合金燃料粒與在電子顯微鏡下的切面圖,深色的是鈾元素。鋯與鈾的原子序和密度相差頗遠,而鋯本身也較易和碳及氧等組成化合物,故溶解後的溶液使用化學分離法或一般的離心機都相對容易分開,而取得濃縮鈾。若以英美軍用核燃料的標準,分離出來的鈾基本上可直接用作一般核武器的鈈核芯外層,加強起爆威力。(圖片來自論文"Hot Extrusion of Alpha Phase Uranium-Zirconium Alloys for TRU Burning Fast Reactors"及 our-energy 網站)

目前澳洲社會新聞焦點還沒注意到英國與美國核動力潛艦,所使用核燃料為核武器級濃度鈾核燃料,等到澳洲民眾與向來反核能之反對黨注意到此事時,只要想到會引起多大社會反彈聲浪,恐怕澳洲海軍核動力潛艦發展計畫就更加難以實現。所以當全球社會都將目光聚焦在國際政治效應時,恐怕不會有太多人料想到,這些技術瓶頸與社會阻力才是真正難以突破之障礙吧!

發佈於 軍事博評
By 2021-09-22

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