說到核動力航母，大家都知道其「心臟」就是艦載核反應堆。這個「心臟」性能的好壞，直接影響著核動力航母的技戰指標。
眾所周知，航母的核反應堆並非新鮮事物，它問世已有60多年歷史。儘管如此，但其核心技術一直是一座難以攀登的高峰。
那麼，這個被譽為航母「心臟」的核反應堆系統都有哪些技術難點呢？
我們將從兩大方面來進行闡述，內容如下：
一、航母核反應堆的原理及發展歷程
- 壓水反應堆的工作原理
航母核反應堆主要有兩種類型，即金屬堆和壓水堆。前者是早期核潛艇的反應堆，後者則是目前航母與潛艇的主流反應堆。
金屬堆使用液態金屬作冷卻劑，整體體積較小，但結構複雜，可靠性低。壓水堆用水作冷卻劑，技術成熟，可靠性高不少。
壓水堆，全稱「加壓水慢化冷卻反應堆」，其工作原理也不複雜。
簡而言之，就是鍋爐反覆燒開水的模式。如圖所示，壓水堆大的框架主要分為兩部分，即第一迴路與第二迴路。
第一迴路的主要工作是產生高壓、高溫的熱水，就是通過調節控制棒在核燃料中的插入深度來控制壓水堆的熱輸出量。
核裂變產生的巨大能量將第一迴路中的水加熱，在加熱的同時還要給這些水加壓，使水的溫度持續升高而不沸騰。
這些熱水通過相應裝置引入第二迴路，請注意，這裡只有熱交換，兩個迴路中的水是不發生任何交流的，以避免核泄露。
熱量將第二迴路中蒸汽發生器裡面的水加熱，這時熱交換完成。
蒸汽發生器產生的蒸汽驅動蒸汽輪機，繼而帶動發電機發電，這就是核動力航母電力的輸出源頭。
另一路蒸汽由蒸汽輪機直接驅動航母的軸產生動力。
每個蒸汽輪機都配一個冷凝器，海水直接進入冷凝器，一方面給蒸汽輪機降溫，另一方面給蒸汽發生器補充水量。
上述工作模式一直循環下去，航母就有了源源不斷的電力和動力保障。
- 壓水反應堆的發展歷程
咱們直接從A4W核反應堆說起，這個反應堆是尼米茲級航母的核反應堆，其輸出軸功率是20.9萬KW，發電功率6.4萬KW。
每艘尼米茲級航母配備2座A4W核反應堆，幾乎都是滿負荷運行，用專業術語來講，就是A4W的設計留有的裕度非常小。
這個A4W很難適應新一代的福特級航母，於是新型核反應堆A1B應運而生。
A4W是西屋電氣公司設計的，「A」代表航母，「W」代表西屋電氣公司。A1B中的「B」代表主承包商貝切特公司。
洛杉磯級、俄亥俄級、維吉尼亞級核潛艇與初期尼米茲級航母的核反應堆，承包商都是通用電氣公司，由諾爾實驗室研製。
企業號、後期尼米茲級航母與海狼級核潛艇的核反應堆，承包商是西屋電氣公司，由貝蒂實驗室研製。
福特級航母配備兩座A1B核反應堆，單台軸功率為62.5萬KW，兩台總的軸功率為41.2萬KW，發電功率近20萬KW。
A1B的這個輸出功率可能是目前最強的航母核反應堆功率，它在設計研發當中都有哪些技術難點呢？
二、航母核反應堆的技術難點
A1B核反應堆是在A4W的基礎上研製的，A1B需要的功率更大、維護人員更少、使用壽命更長。主要有以下難點：
- 堆芯的設計與核燃料材料
A1B的設計首先考慮的是安全性，其次才是設計方法和性能指標。
A1B要實現輸出功率翻一倍，甚至兩倍，在反應堆體積不變或者變小的情況下，就必須要提高燃料濃縮度與重新設計堆芯。
體積不變，要使堆芯運行最大化，需要進行核、水力學、結構力學、流體力學、動態結構負載等預測和分析才能實現。
這是一個綜合性系統過程，新的堆芯模型要有新的核燃料元件材料與之匹配，目標是減少過熱點數量，能夠承受堆芯以更高的功率運行。
因此，材料、工藝、模型就是堆芯設計的重中之重。這裡對核燃料濃縮度提出更高要求，至少要達到93%。
這也是A1B目前的濃縮度，實際上，A4W的燃料濃縮度還要高（97.3%），僅是由於濃縮廠的原因，就全部採用93%。
93%的濃縮度完全可以滿足設計要求，並能提供高功率密度。
改進堆芯設計軟體也是一個難點，用以減少計算中子傳輸方程的時間，並提高計算精度。
- 反應堆的建模與部件材料
反應堆壽命的延長，意味著系統各部件可靠性需要提高。反應堆的運行環境非常惡劣，首先考驗的是這些部件的材料。
在高輻射、高腐蝕、高溫、高壓的環境下，既要考慮部件的材料工藝，又要考慮全壽命周期內的系統性能壽命模型。
比如第一迴路中的溫度可達300攝氏度以上，氣壓可達150個標準氣壓，再加上高輻射，部件材料的強度很容易出現損傷。
堆芯使用的材料有核燃料、毒物、包殼、結構件等，反應堆運行時，這些材料必須保證其物理完整性，能抗住惡劣的運行環境。
這時就需要一系列的預測模型，如輻照裂紋生長模型，用來預測部件材料在高溫高輻射環境下的裂紋產生及蔓延趨勢。
承壓部件大多使用鈷合金，儘管這種合金的強度很高，但隨著輻射的增強，其輻射殘留時間也隨之增長，報廢后不好處理。
這就需要低鈷含量的合金來替代，就需要大量的物理分析與預測模型，這個並不容易。
- 控制棒系統與蒸汽發生器
反應堆的實際輸出功率與控制棒的驅動控制系統有著密不可分的關係，其控制驅動精度越高，輸出功率也就隨之增長。
驅動系統裡面的電機需選用固態電機，可有效消除緊急停堆情況，提高系統可靠性和安全性，繼而提升驅動使用壽命。
驅動系統在機械設計上也有一定難度，需要諸如軸承等的核心部件壽命都要達到60年以上，幾乎是與艦同壽。
此外，蒸汽發生器裡面的水蒸氣要不被第一迴路中的核輻射所污染，就必須要有完整的結構，主要是防腐蝕設計。
這一設計牽扯到高溫腐蝕、水化學和腐蝕效應的估算，避免設計中存在低速流動區域，防止雜質的集中沉澱以減少腐蝕。
另外，還有管道的材料選擇，腐蝕控制方法，換熱方法，蒸汽分離預測工具等，都具有一定的難度，不容易實現。
- 反應堆迴路系統與可維修性
反應堆迴路講究結構簡單，運行效率、可靠性和安全性要更高。比如冷卻泵，主要是防磨損，還有類似部件都要提高可靠性。
反應堆迴路部件要增大維修周期，這些東西一旦投入運營，一般在全壽命周期里都不維護，要做到與艦同壽的要求。
此外，反應堆迴路的流動特性也異常重要，冷卻劑在每個部件的壓降都要避免對堆芯產生影響，否則將會影響堆芯熱平衡。
增壓器等部件也有類似的需求。
目前，A1B反應堆在維修性方面要很高，設計壽命是50年，幾乎要做到與艦同壽，加上設計裕度，最大壽命應在60年以上。
三、航母核反應堆技術小結
上述僅是具有代表性的技術難點，沒有囊括全部。
總的來講，航母核反應堆的設計重點有：延長堆芯壽命，使用濃縮度高的核燃料，更優的自動控制技術，新的三抗（抗腐蝕、抗高溫、抗輻射）材料等技術。
在安全性方面，要增強自然循環能力，即便出現突發事故，也能保證堆芯有水。儘量減少人為操縱，避免誤操作導致惡果。
總而言之，航母核反應堆是一系列複雜的系統工程，不僅要突破各種技術壁壘，還要注重設計的可靠性和安全性。