风雅的智慧——琴棋书画诗酒花

1. 核动力大型作战舰艇

　　物理学家爱因斯坦发现， 物体的静止质量m0 与静止能量E0 之间存在关系E0= m0c2， 这个关系称为质能关系式。从质能关系式可知， 任何物体在静止时都有能量， 若物体的静止质量改变， 它的静止能量也会发生相应的变化。

　　物质由分子、原子组成。原子又由原子核和电子组成。不同物质的原子核质量不同。原子核由中子、质子组成。若用原子核的质量除以核内中子、质子的个数， 可求出中子、质子的平均质量。科学家发现， 不同原子核中子、质子的平均质量不同。较轻的原子核和较重的原子核， 中子、质子的平均质量较大， 而中等原子核中子、质子的平均质量比较小。因此， 若将较轻的原子核“聚合”为中等原子核， 或将较重的原子核“裂解”为中等原子核， 原子核的静止质量将减少， 静止能量也同时减少， 这些减少的能量将转换为热能等其他形式的能量。

　　铀核分裂为两三个中等质量核， 并且释放2 ～3 个中子的反应称为裂变反应， 反应时释放大量的能量。如果将1 克铀全部裂变， 它放出的能量与2. 5 吨优质煤完全燃烧时释放的能量相同。轻核聚合为中等核的反应称为聚变反应。聚变反应也会释放大量的能量。同样质量的氢聚变和铀裂变， 氢聚变释放的能量为铀裂变反应释放出能量的3 倍以上。

　　利用核裂变或聚变释放的能量， 可以制成威力超常的核武器。控制核反应的速度， 将反应放出的能量收集起来加以利用， 可以提供强大的核动力， 制出核动力航空母舰、核潜艇等核动力舰艇。对反应不加控制， 利用反应释放的能量对目标起杀伤作用， 即为核弹。核弹主要包括原子弹、氢弹、电磁脉冲弹、加强冲击波弹、中子弹等。目前， 已有20 多个国家拥有核武器， 其中美国和俄罗斯分别有2. 6 万枚和1. 9万枚核弹头。由于核弹具有超常的咸力， 破坏力非常大， 所以世界各国都非常关注核弹的使用， 制约作战双方使用核弹。在历史上， 只有美国在日本投掷过两枚原子弹。

　　控制重核裂变的速度， 使原子核反应平稳地进行， 并且将释放的能量收集起来加以利用， 就可制造出原子反应堆， 提供作战平台所需要的动力。由于现在使用的原子反应堆体积大、质量重， 所以只能用于大型作战舰艇。例如， 以原子反应堆提供动力的航空母舰、战列舰、潜水艇等。

　　原子反应堆的种类很多， 结构也不完全一样。从物理角度讲， 可认为原子反应堆由燃料减速剂、控制棒、反射层、载热剂或冷却剂和屏蔽层组成。原子反应堆的燃料为铀235 或钚239 。减速剂一般用石墨、重水或铍。控制棒一般为镉棒或硼棒。反射层包在核反应堆外边， 一般用石墨或铍制成。载热剂或冷却剂常用水、重水、二氧化碳或金属钠。屏蔽层包括金属外套、水箱、钢筋混凝土墙等。

　　在原子反应堆中， 加入一定的铀235 等核燃料， 就会产生裂变反应， 同时释放能量。铀235 吸收一个中子后才会发生裂变。裂变时放出2 ～3 个中子， 这些中子被未发生裂变的铀235 吸收， 继续发生裂变。控制反应堆中中子的数目， 便可控制反应的速度。原子反应堆中的镉棒， 能吸收中子。将镉棒放入反应堆， 吸收的中子多， 反应速度就慢。将镉棒提起， 吸收的中子少， 反应速度就快。因为铀235 容易吸收速度较慢的中子， 所以在反应堆中加石墨、重水或铍， 让裂变放出的中子与石墨、重水、铍的分子碰后， 速度减慢， 容易被吸收。有了核燃料、控制棒和减速剂， 核反应便可按要求进行。

　　但是， 裂变放出的中子， 裂变时放出的其他物质对人体是有损害的， 必须让反应在确定的区域进行， 不能让裂变的产物逸出反应堆。反射层和屏蔽层是防止中子或其他裂变物逸出反应堆的装置。由于各种裂变产物的穿透能力很强， 所以屏蔽层必须做得很厚。

　　载热剂的作用是将核反应放出的能量移至反应堆外， 再加以利用。通常的方法是在反应堆内安装管道， 管道内灌入水、重水等载流剂。这些载流剂在反应堆内被加热， 吸收反应时放出的能量， 通过循环流动至反应堆外。在热交换器中降温放热， 使热交换器中另一些管道中的水吸热变成水蒸气， 推动气轮机发电。

　　由于核反应放出的能量非常多， 所以可作为巨大的动力装置。但是， 核反应堆需要巨大的屏蔽层保护， 使核反应堆只能建在大陆或大型舰船上。

　　现在， 大型航空母舰使用了核反应装置， 成为核动力航空母舰。例如前面提到的“尼米兹”级航空母舰， 就是核动力航空母舰。在这种航空母舰上， 有两个核反应堆。更换一次核燃料可以航行80 至100 万海里， 即150 万至185 万千米。这种航空母舰可以不加燃料， 连续绕地球航行几十圈。

　　有些潜艇也采用了核反应堆。用核动力的潜艇， 不再使用噪声大的涡轮机， 能在海底“安静”地航行。不易被敌人发现。