热离子反应堆究竟有何神奇之处？堪称不用加油的AIP系统

在探讨AIP潜艇动力方式时，人们经常将“小型核堆”也作为AIP动力系统的一种选择。而当前已在空间飞行器中得到应用的热离子反应堆，就是小型核动力装置的一种。由于它与常规的压水堆、液态金属堆存在明显的差别，因此如在潜艇上安装热离子反应堆，那么这样的潜艇也与当前各国服役的核潜艇大不一样。

热离子反应堆和同位素衰变电池都是非常规核动力系统。热离子核反应堆电源由核热源、热离子能量转换器和排热系统三部分构成。热离子能量转换器由承担放出电子的高温电极（发射极）和与其面对面放置的低温电极（集电极）构成。将发射极紧靠着反应堆中的核燃料元件，当核裂变产生的热量将发射极加热到1500到2000℃的高温时，发射极中的自由电子得到足够的能量而飞出，由集电极将电子收集起来，就可在阳极、阴极和负载之间形成通路，产生电流。

热离子堆核热燃料单元体的中心部位是带有孔洞的二氧化铀或氮化铀燃料芯块。把燃料芯块制成带有孔洞的形式，以防止燃料发生熔融事故。紧靠燃料芯块的外侧，则是作为热电子发射体的金属钨，这一层金属钨作为电子发射极被装配在与燃料芯块紧靠相邻的位置上。位于金属钨外侧的是一层金属铌，但是在钨层与铌层之间设置了一段空隙，在这段空隙中充注了一些气态的铯，这样做是为了防止空间电荷效果引起发电率的降低。金属铌在功函数和蒸汽压力方面均低于作为热电子发射体的金属钨，它被用做集电极。铌层的外侧是铌-锆耐热合金屏蔽层。铌层与铌-锆耐热合金屏蔽层之间也设置了一段空隙，空隙中充注了氦气，以防止冷却剂温度上升过高。隔片的作用不仅可防止燃料芯块上下移动，同时还可增加核热燃料单元体的物理强度。由若干个核热燃料单元体组成的核热燃料单元体组件被紧密配置??网格形状。每个核热燃料单元体组件之间留有一定的间隙，冷却剂则沿着自上而下的方向在核热燃料单元体组件之间的间隙中流动。冷却剂采用液态金属，其目的是为了提高传热性能，减少堆芯尺寸，提高堆芯温度（即提高发电效率）。金属冷却剂的材料主要是钠钾共晶合金以及锂。

由于热离子反应堆是将其核热能在反应堆内直接转换为电能，省去了核动力堆中的一回路、二回路以及蒸汽轮机，只要将潜艇设计为电力推进模式，反应堆产生的电能就可以直接作为动力。

热离子堆在美俄是作为宇宙空间站的电源而设计的，故又称空间反应堆。为了使空间反应堆的堆芯具有最小尺寸，目前设计的热离子堆燃料芯块使用的是95%的高浓缩铀。为了获取直流电力，沿圆周方向分成8个等面积区域，每4个核热燃料单元体并联连接起来形成一组，然后再把2组核热燃料单元体并联起来，沿着轴向进行排列。把核热燃料单元体并联起来的优点是，即使数量众多的核热燃料单元体之中的某些单元体出现性能故障，仍不至引起总体发电性能的降低，从而使空间堆的运行可靠性得到保证。

另外，为了对核燃料消耗引起的反应速度降低进行补偿控制以及对反应堆的启动、停堆和运行进行控制，采用了转动式控制棒。在反应堆的外侧，沿圆周方向设置了十多个转动式控制棒，在转动式控制棒的局部，留有一部分扇形区，这些扇形区是中子吸收体，其余的部分是反射体。利用反射体的转动实现对核反应速度的控制。中子吸收体采用的是碳化硼，反射体采用的则是氧化铍。

但是，热离子堆的主要问题是单堆功率小、热电转换效率低。如美国研制成功的由SP-100型热离子堆为核心组成的空间核动力装置，热功率为240千瓦，但发电功率仅为10千瓦。苏联研制的托巴斯-1型热离子堆热功率为130～150千瓦，电功率5～7千瓦。由此数据还可知，热离子堆不仅单堆输出功率小，而且热-电转换效率较低。托巴斯-1型的效率为3~5.3%，SP-100大约为4.2%。

不过，空间热离子堆为满足航天发射的要求，本身重量受到严格限制。如将热离子堆用于潜艇，则在重量方面可大为放宽，尺寸也可相应增加。2000年，美国提出了电功率在100千瓦左右、堆芯寿命7~10年的热离子堆方案，打算用于深海长航时无人科考潜艇。这种热离子堆输出电功率100千瓦已达到“斯特林”机的级别，理论上可安装在1000吨左右的潜艇艇体内。但由于100千瓦的输出电功率仍不足以支持潜艇在水下以较高速度航行，因此这样的热离子堆只能替代目前常规AIP潜艇中的AIP动力模块，这意味着潜艇还需要安装用于高速航行的柴油机-电力推进系统。或者至少应当安装大容量的电池，潜艇在低速航行时，热离子堆产生的电能除用于推进和潜艇必须消耗外，剩余部分为蓄电池充电，以在潜艇需要高速航行的时候使用。这意味着1000吨左右的排水量是不够的，最终潜艇的水下排水量还是会达到3000吨。差别在于，热离子堆AIP潜艇不需要在艇上储存危险的液氧和氢气，也不需要频繁补充燃料和氧化剂。