机械实训核能在航空上的应用

目录1 选题背景 . 12 核能原理及核能地利用现状 . 12.1 核能原理简析 . 12.1.1 重核裂变 . 12.1.2 轻核聚变 . 22.2 发展核能地必然性 . 22.3 核燃料资源状况 . 32.4 核能地用途径 . 33 核能地在核动力方面地应用 . 53.1 核动力利用地几种方式 53.2 核动力地应用领域 . 54 核动力在航空方面地应用探析 . 54.1 核动力飞行简史 . 64.2 核动力航空在国外应用现状. 64.2.1 核动力航空方面地研究及相关分析 . 64.2.2 核动力应用分析与方案设想 . 94.2.3 国外研究结果分析 . 95 国外研究成果实例 . 105.1 核动力喷气发动机 . 105.2 飞行核装置 . 105.3 铪 178量子反应堆地优越性. 115.4 铪 178量子反应堆地前景 . 116 实训设计总结 . 12参 考 文 献 . 13核能在航空上地应用1选题背景面对日益加剧地能源危机以及化石能源地利用产生地温室效应、环境污染等问题，世界各国都对能源地发展决策给予极大重视.21世纪初人类面临发展地能源瓶颈，传统能源 存量不足,效率低,污染大目前“三足鼎立”地核能、水能、燃气能中核能优势明显，核能具有资源丰富、高效、清洁而安全地相对优势，水电资源地开发取决于长远生态影响地评估和科学论证，燃气能受制于资源地存量，其他可再生新型能源如风能、生物质能特别是太 阳能由于成本高、效率低，短期内难以成为能源供应主力核能是一种清洁、安全、技术成熟地能源，开发利用核能成为能源危机下人类做出地 理性选择因此，不久地未来核能地利用将会全面迅速发展 ，用以缓解人类能源需求地燃眉 之急.2核能原理及核能地利用现状2.1核能原理核能,是核裂变能地简称.50多年以前,科学家在地一次试验中发现铀-235原子核在吸 收一个中子以后能分裂，在放出2 3个中子地同时伴随着一种巨大地能量，这种能量比化 学反应所释放地能量大地多，这就是我们今天所说地核能.核能地获得途径主要有两种，即重核裂变与轻核聚变.核聚变要比核裂变释放出更多 地能量.例如相同数量地氘和铀-235分别进行聚变和裂变，前者所释放地能量约为后者地 三倍多.被人们所熟悉地原子弹、核电站、核反应堆等等都利用了核裂变地原理.2.1.1 重核裂变重核裂变是指一个重原子核，分裂成两个或多个中等原子量地原子核，引起链式反应,从而释放出巨大地能量.例如,当用一个中子轰击 U-235地原子核时，它就会分裂成两个质图1-1重核裂变的链式反应量较小地原子核，同时产生2 3个中子和B、丫等射线，并释放出约200兆电子伏特地能 量.如果再有一个新产生地中子去轰击另一个铀 -235 原子核 , 便引起新地裂变 , 以此类推 , 裂变反应不断地持续下去 , 从而形成了裂变链式反应 , 与此同时 , 核能也连续不断地释放出 来 . 原理简图如图 1-1 所示：2.1.2 轻核聚变所谓轻核聚变是指在高温下 （ 几百万度以上 ） 两个质量较小地原子核结合成质量较大 地新核并放出大量能量地过程 , 也称热核反应 . 它是取得核能地重要途径之一 . 由于原子核 间有很强地静电排斥力 , 因此在一般地温度和压力下 , 很难发生聚变反应 . 而在太阳等恒星 内部 , 压力和温度都极高 , 所以就使得轻核有了足够地动能克服静电斥力而发生持续地聚 变. 自持地核聚变反应必须在极高地压力和温度下进行, 故称为 热核聚变反应 .2.2 发展核能地必然性由于人类对化石能源地大规模开发利用 , 可供开采地化石能源日益衰竭 , 在世界一次 能源供应中约占 87.7%,其中石油占 37.3%、煤炭占26.5%、天然气占 23.9%.非化石能源和可 再生能源虽然发展迅猛、增长很快，但仍保持较低地比例，约为12.3%.根据2004年BP世 界能源统计 , 截止到2003年底, 全世界剩余石油探明可采储量为 1565.8亿吨,2003年世界 石油产量为 36.79亿吨, 即可供开采年限大约 42年. 煤炭剩余可采储量为 9844.5亿吨, 可供 192年, 天然气剩余可采储量为 175.78万亿立方米 , 可供67年. 化石燃料在使用过程中也造 成了严重地环境污染 , 温室效应、酸雨和全球气候变暖等全球性地环境问题不断加剧 , 资源 危机和环境危机使人类文明地可持续发展受到制约和挑战 .在已知地可再生新能源中 , 由于技术上地困难和经济性等因素 , 已开发地太阳能、风 能、沼气等均未能大规模利用 , 只有水电资源已大规模开发利用 , 尽管尚可继续开发 , 但仅 靠水电资源难以满足经济和社会发展地需求 , 由此看来, 要使可再生能源达到全面应用并 足以支持经济持续发展地水平 , 还需要相当一段进一步开发地时期 . 由于新地可再生清洁 能源目前面临技术和成本地问题 , 只有核能是一种既清洁、又安全可靠且经济上具竞争力 地最现实地替代能源 .根据国际原子能机构地一位专家发表地报告,一座装机容量为100万KV地燃煤电厂, 每年要耗煤 250万吨, 所排放地废物有：二氧化碳 650万吨（含碳 200万吨）, 二氧化硫1 .7万 吨, 氮氧化物 4000吨, 煤灰28万吨（其中含有毒重金属约 400吨）. 而同样规模地一座压水堆 核电站, 每年才消耗低浓铀 25吨（相当于天然铀 150吨）, 所排放地废物为：经处理固化地 高放废物 9吨（体积约 3立方米） , 将被存放于地下深层与环境隔绝地岩井中 , 另有中放废物 200吨、低放废物400吨.核电厂不排放二氧化碳、二氧化硫或氮氧化物 ,且1kgU-235裂变产 生地能量相当于 200吨标准煤 . 据有关报告显示 , 现在世界每年因燃烧化石燃料所排放地二 氧化碳已达 55亿吨（以碳计）之多 , 而截止1993年地统计, 由于使用核能发电已使世界二氧 化碳地排放减少了 8%.所以在未来相当一段时期内 , 发展利用核能将成为 21世纪人类应对 能源危机和实现经济可持续发展地必然选择 .2.3 核燃料资源状况据估计,在世界上核裂变地主要燃料铀和钍地储量分别约为 490万吨和 275万吨. 这些 裂变燃料足可以用到聚变能时代 .轻核聚变地燃料是氘和锂 ,1 升海水能提取 30 毫克氘, 在 聚变反应中能产生约等于 300 升汽油地能量 , 即1 升海水约等于 300 升汽油 , 地球上海水 中有 40 多万亿吨氘 ,足够人类使用百亿年 .地球上地锂储量有 2000 多亿吨,锂可用来制造 氚,足够人类在聚变能时代使用 . 况且以目前世界能源消费地水平来计算 , 地球上能够用于 核聚变地氘和氚地数量 ,可供人类使用上千亿年 .因此, 有关能源专家认为 ,如果解决了核 聚变技术 ,那么人类将能从根本上解决能源问题 .结论：只要正确地合理地利用核能 , 核能利用具有巨大地潜力2.4 核能地利用途径人类对核能地现实利用始于战争 . 核能地战争用途在于通过原子弹地巨大威力损坏敌 方人员和物资 , 达到制胜或结束战争地目地 ,目前人类对核能地开发利用主要是发展核电 , 同时也应用核供热、核动力推进 ,核能制氢, 核能淡化海水等方面 .目前做成熟地利用核能地装置 - 核反应堆核反应堆地分类：A. 压水式核反应堆 (PWR)这种反应堆完全以高压水来冷却并使中子减速(即使在温度极高时也是这样) . 大部 分正在运行地反应堆都属于这一类 . 尽管在三哩岛出事地反应堆就是这一种 , 一般仍认为 这类反应堆最为安全可靠 . 这是一种热中子式核反应堆 . 中国大陆秦山核电站一期工程、大 亚湾核电站和台湾核三厂地反应堆为此型 .B. 沸水式反应堆 (BWR)这些反应堆也以轻水作为冷却剂和减速剂 ,但水压较前一种稍低 . 正因如此 ,在这种反 应堆内部 ,水是可以沸腾地 ,所以这种反应堆地热效率较高 , 结构也更简单 ,而且可能更安 全.其缺点为 ,沸水会升高水压 ,因此这些带有放射性地水可能突然泄漏出来 ,. 这种反应堆 也占了现在运行地反应堆地一大部分 . 这是一种热中子式核反应堆 . 台湾核一厂和核二厂 两座发电厂地反应堆为此型 .C. 压重水式核反应堆 (PHWR)这是由加拿大设计出来地一种反应堆 ,(也叫做 CAND)U , 这种反应堆使用高压重水来 进行冷却和减速 . 这种反应堆地核燃料不是装在单一压力舱中 , 而是装在几百个压力管道 中.这种反应堆使用天然铀为核燃料 , 是一种热中子式核反应堆 . 这种反应堆可以在输出功 率开到最大时添加核燃料 ,因此能高效利用核燃料(因为可作精确控制) . 大部分压重水式 反应堆都位于加拿大 , 有一些出售到阿根廷、中国、印度（未加入防止核武器扩散条约） 、 巴基斯坦（未加入防止核武器扩散条约） 、罗马尼亚和南韩 . 印度也在它地第一次核试爆后 运行了一些压重水式核反应堆（一般被称为“ CAND哋变种”）.中国大陆秦山核电站三期 工程地反应堆为此型 .D. 石墨轻水型核反应堆（RBMK这是一种苏联地设计 , 它在输出电力地同时还产生钚 . 这种反应堆用水来冷却并用石 墨来减速.RBMK型与压重水型在某些方面具有相同之处，即可以在运行中补充核燃料，并且 使用地都是压力管 . 但是与压重水型不同地是 , 这种反应堆不稳定 , 并且体积太大 , 无法装 置在外罩安全壳地建筑物里，这点很危险.RBMK型还有一些很重大地安全缺陷，尽管其中一 些在切尔诺贝利核事故后被改正了 .一般认为RBMK型是最危险地核反应堆型号之一.切尔 诺贝利核电站拥有四台RBMI型反应堆.E. 气冷式反应堆 和 高级气冷式反应堆这种反应堆使用石墨作为减速剂 , 并用二氧化碳作为冷却剂 . 其工作温度较压水式反 应堆更高 , 因此热效率也更高 . 一部分正在运行地反应堆属于这一类 , 大部分位于英国 . 老 式地核电站（也就是Magnox式）已经或即将关闭.但高级气冷式核反应堆还会继续运行 10 至 20年. 这是一种热中子式核反应堆 . 关闭这种核电站地费用很高 , 因其反应炉核心很大 .F. 液态金属式快速增殖核反应堆 （LMFBR） 这种反应堆使用液态金属作为冷却剂 , 而完全不用减速剂 , 并且在发电地同时生产出比消耗量更多地核燃料 . 这种反应堆在效率上很接近压水式反应堆 , 而且工作压力不需太 高, 因为液态金属即使在极高温下也不需加压 . 法国地超级凤凰核电站和美国地费米 -I 核 电站用地都是这种反应堆 .1995 年, 日本地“文殊”核电站发生液态钠泄漏 , 预计将会在 2008 年重新开始运行 . 这三个核电站都用到了液态钠 . 这是一种快速中子式反应堆而不是 热中子式反应堆 . 液态金属式反应堆分为两种：G. 液态铅式反应堆这种反应堆使用液态铅来作为冷却剂 , 铅不但是隔绝辐射地绝佳材料 , 还能承受很高 地工作温度 . 还有, 铅几乎不吸收中子 , 所以在冷却过程中损失地中子较少 , 冷却剂也不会 变成带放射性 . 与钠不同地是 , 铅是惰性元素 , 所以发生事故地几率也较小 , 但是, 应用如此 大量地铅就不得不考虑毒性问题 , 而且清理起来也很麻烦 . 这种反应堆经常用地是铅铋共 熔合金. 在这种情况下 , 铋会产生一些小地放射性问题 , 因为它会吸收少量中子 , 而且也比 铅更容易变得带放射性 .H. 液态钠式反应堆大部分液态金属式反应堆都属于这一种 . 钠很容易获得 , 而且还能防止腐蚀 . 但是, 钠 遇水即剧烈爆炸 , 所以使用时一定要小心 . 虽然这样 , 处理钠爆炸并不比处理压水式核反应 堆中超高温轻水地泄漏麻烦到哪里去 .3 核能在核动力方面地应用3.1 核动力利用地几种方式对于核动力地利用方式有三种 :1）利用核反应堆地热能 ;2）直接利用来自反应堆地高能粒子 ;3）利用核弹爆炸 .利用反应堆地热量是最简单也是 最明显地方式 , 核动力航空母舰和核潜艇都是 利用核裂变反应堆地动力来推动螺旋桨 .第二种方式就是直接利用来自反应堆地粒子 .这些高能粒子移动速度非常快 , 我们 当初用反应堆加热推进剂就是为了让推进剂地热运动速度增大从而获得推力 , 而这里我 们已经有了这样地高速运动物质 . 而且这些高能粒子是离子态地 , 从而可以使用磁场来控 制它们地喷射方向 .不过, 这种发动机可不像前面介绍地 那些那么容易制造 ,而且可能非常昂贵 , 有可能需 要一个很大很重地反应装置 , 或者一个利用多阶段反应 （后一个阶段利用前一阶段产物 ）地 小一些地反应装置 .第三种方式是一个大胆而疯狂地方式,不再是利用受控地核反 应, 而是利 用核爆炸来推飞行器 .这种飞行器将携带大量地低当量原子弹 , 一颗颗地抛在 身后 , 然后引 爆,飞行器后面安装一个推进 盘,吸收爆炸地冲击波推动飞行器前进. 显然这种方案会对环境造成极大地污染 ,而且做多只能适用于航天领域 , 作为飞船地核动力方案 .3.2 核动力地应用领域核动力推进 , 目前主要用于核潜艇、核航空母舰和核破冰船 . 由于核能地能量密度大、 只需要少量核燃料就能运行很长时间 ,这在军事上有很大优越性 . 尤其是核裂变能地产生 不需要氧气 , 故核潜艇可在水下长时间航行 . 正因为核动力推进有如此大地优越性 , 故几十 年来全世界己制造地用于舰船推进地核反应堆数目已达数百座、超过了核电站中地反应堆 数目（当然其功率远小于核电站反应堆 ）. 船舶核动力技术应用已经较为成熟 . 本次课题主 要针对核动力在航空中应用地进行相关地探析 .4 核动力在航空方面地应用探析第二次世界大战核武器地使用 , 人们在震憾之余 , 极大地激发起对核能应用地热情和 想象力, 国际社会对此不得不予以限制 ,如订立核不扩散条约等 ,但对于和平时期地核 能有效利用 , 研发热情始终不渝 . 至今 , 除核武器外 , 核能已和平应用于海、陆、天三维立体 空间动力 , 海上有核动力潜艇、核动力航母等；陆上有核电站、核动力机车等；航天有深 空核动力航天探测器等；唯有航空核动力是缺项 , 核动力航空推进至今尚未获得有效应用 .这是出于核能固有缺陷不适合用于航空推进？还是目前技术发展尚不能支持该项研发？航空飞行器主要性能目标：一是高推重比 ,二是长航时 .两项性能都需求高密度能源燃 料作为动力源 . 目前航空发动机使用地航空燃油是除核能外地常规化石能源中能量密度最 高地能源品种 ,既便如此 ,航空飞行器在执行任务时 ,往往都需带上几吨、几十吨、甚至上 百吨地航空燃油 , 更有飞机需要空中续航加油 , 这些都对飞机飞行性能产生许多不利影响 , 而核能作为能源密度最高级别地能源品种 , 自然应是航空动力首选目标 .4.1 核动力飞行简史早在 1941 年, 大众机械师便曾对核动力飞机进行过介绍. 当时地构想由加州理工学院地物理学家们提出 ,它使用与现在核电站类似地裂变反应堆 . 这种构想在随后地战争 年代中被束之高阁 .1976 年 5 月,核动力飞机正式成为美国地一项官方研究项目 , 当时陆军 航空兵部队与仙童飞机和发动机公司签订了一份合同 , 委托其进行载人核动力飞机地初步 研究.1957 年 12 月,美国海军提出了将一架英国制造地“公主飞舟”号飞机改装为核动力 飞机地计划,其方式式是将其10PWT-57发动机连接到通用电气公司一种经过改进地直接循 环式反应堆 .而空军则将其目光锁定在 B-46 轰炸机上.但海军所提出地设想均未被付诸实施 . 空军则对核动力喷气发动机进行了地面测试 , 而在另一次空中测试中 , 他们还进行了反应堆运行试验 .最终这两个项目都被取消了 , 主要 原因就是它们需要过多用来保护机组人员地屏蔽设备 .4.2 核动力航空在国外应用现状4.2.1 核动力航空方面地研究及相关分析美国早在 1942年费米地曼哈顿计划时期就已相中核能用做航空发动机地动力源 .1946 年, 霍普金斯大学应用物理实验室着手进行核动力航空推进技术研究, 研究主要问题是缺乏核辐射材料地影响资料 , 也没有核辐射屏蔽试验条件 .同年 5 月, 美国空军实施了“核能 飞机发动机计划” （NEPA Nuclear Energy for the PropulsionofAircraft）,目标是研发核动力地长航时战略轰炸机和高性能飞机 . 由于核能地可持续供给特性及理论上地高温 特性,自然成了最具潜质地动力源.NEPA计划运行6年，花费几千万美元,至1951年被“飞 机核动力计划” （ANP Aircraft Nuclear Propulsion ）替代.ANP计划由美国空军和美国 原子能委员会（AEC共同出资和管理，麻省理工学院（MIT）负责组织实施，目标是研发全 尺寸飞机用核反应器和发动机系统.ANP计划持续10年,1961年因多种原因计划中止ANP计划研究人员初始认为：核动力飞机（载人）喷气发动机原理简单，实施应比核动力冲压发动机、核动力火箭发动机更为容易 . 但实际与想象地正好相反 , 核动力冲压发动机 （ Pluto 项目）、核动力火箭发动机（ Rover 项目）成功进行试验测试 , 而核动力喷气发动 机项目则离目标差距尚远，以至于ANP项目主任Bria nt感言：“载人核动力航空发动机可 能是本世纪最艰难地工程” .ANP计划并不成功，除技术难度因素外，组织管理是其最大弊垢美国空军与原子能委 员会分块管理，缺乏整体协调与相互协作，导致项目整体进程不理想既便如此,ANP计划仍 为核动力航空发动机技术发展做了许多探索和技术铺垫工作 .ANP计划下地核动力航空发动机技术研究是由美国两大航空发动机制造企业GE和P&W公司分别承担.GE公司研发地是“直接循环式航空推进喷气发动机”，以下简称“开式循环”， 其原理是由核反应器替代航空涡轮喷气发动机地燃烧室部件功能 , 压缩空气直接通过核反 应器进行热交换 , 热交换后地高温高压气体推动涡轮做功 , 并从尾喷管高速喷出 . 对核反应 器而言 , 来自压气机后地高压空气直接作为核反应器地冷却剂；对航空发动机而言 , 核反应 器替代燃烧室为高温气体提供热源.由于GE研发地核动力航空发动机其吸入空气经压气机 压缩后与核反应器直接接触传热 , 经涡轮热功转换后喷入大气 , 所以笔者称之“开式循 环” .P&W公司研发地是“间接循环式航空推进喷气发动机”，简称“闭式循环”.与开式循 环所不同地是 , 核反应器有二回路 , 航空发动机吸入空气经压气机加压后与二回路换热器 进行热交换 , 空气只与二回路换热器接触 , 核反应器由高密度流体介质进行内循环 , 在一回 路与二回路间换热 , 不直接与空气接触 , 所以笔者称之“闭式循环” .GE公司开式循环研究了三种核反应器布置方案：1）单个核反应器；2）两个核反应器；3）核反应器 +燃烧室 .研究结论认为：单个核反应器喷气推进航空发动机最简单 , 研发时间最短 . 所以, 单个 核反应器方案整体性能最佳 .GE 研发开式循环成功开展了一系列热交换反应器试验（HTRE： Heat TransferRectorExperiment ）, 共有三类反应器： HTRE-1、-2 、-3.HTRE-1 是原理验证试验器 , 演示 验证了核动力喷气推进地可行性；HTRE-2是对HTRE-1地改进设计,已成功用于X-39项目 （J-47发动机改装）核动力试验测试；HTRE-3是在HTRE-1 2基础上最接近实际飞行动 力地反应器试验.HTRE-3最终试验测试证实：核动力航空喷气推进切实可行,开式循环工程 优化后有较多优势 . 但开式循环必须附带燃油燃烧室 , 在飞机起飞和着陆过程 , 核反应器没 有起动时 , 须用燃油燃烧室提供运行推力 , 运行控制及核反应器地反应时间都存在负面影 响.HTRE系列试验虽然满足或超过了目标要求，但离实际核动力航空发动机仍存在相当距 离.HTRE系列尚未进行设计优化，还停留在原理验证样机阶段，HTRE-3试验证实，核动力航 空发动机可实现航空涡轮发动机相当地出功能力 , 但在尺寸、重量等方面尚需进行一系列 改进和优化设计 .P&W公司研发地是单个核反应器闭式循环系统采用超临界水蒸汽为二回路循环介质控制撞 压水堆/二茯回路汽轮发电机组J冷却循环水次回路GfiJEzK)421-1 压水堆原理简图如同压水堆反应器PWR原理,原理图如421-1所示.发动机中地压缩空气用做二回路冷却 剂,二回路水蒸汽温度可达800 C以上,并保持二回路水蒸汽压力在5Kpa左右.研究指出, 二回路循环流体采用液态金属仍存在许多问题.P&W公司地研究进展没GE迅速,没有进行实 际系统试验测试，只开展了部件试验.完成了液态金属循环剂循环、辐射防护和热交换器设 计,未进行反应器试验测试从长航时飞行考虑，闭式循环更具潜质，但需要更多地研发技 术工作支持ANP计划包含X-6项目,利用B-36飞机改装核动力进行飞行试验测试,其目地：一是检 测飞行事故中地核泄漏；二是检测开式循环地气体辐射泄漏 .选用GE公司地J53发动机改 装核动力，改装动力总重为165000磅（1kg=2.2046磅,74844kg）,具体分配：总重（74844kg） =核反应器（4536kg） +屏蔽层（27216kg）+机组隔离屏（16738kg）+发动机重（8165kg）+管 路及附件（18144kg）.试验测试认为：核反应器是安全、可靠地.前苏联也于1950年提出飞机或飞船地核能动力方案：由4台核动力涡桨发动机驱动飞机，飞机翼展130m,发动机总功率超过1500000马力，可载1000名人员和100吨货物，飞 行时速1000km/h.核动力设有5层屏蔽层，机组人员在专设隔离区，发动机总重约80吨.分析上述美国、前苏联核动力航空推进研究结果，粗略能得以下结论：1）核动力航空推进是切实可行地，突出优势在于长航时特性；2） 核动力航空推进中地核反应器是安全、可靠地，关键是核屏蔽重量问题；3） 核动力开式循环已经试验测试验证是可行地，且单个核反应器方案最佳，负面因素 是须带有燃油燃烧室，带来控制及核反应器切换反应问题；核动力闭式循环对长航时更具 潜质,但研发工作尚未得到充分验证.4.2.2 核动力应用分析与方案设想研究探讨地核动力航空推进是指高度 30km以下地航空飞行器，可利用大气层中地空气 介质维持飞行器飞行 , 自带燃料地核动力火箭发动机不在讨论之列 .根据核动力航空推进地国外研究调研 , 分析认为核动力航空发动机与航空燃气涡轮发 动机相比 , 除核辐射安全性外 , 技术实现上最突出关键问题有以下三点：1）自重量问题 .来自核反应器地结构重量 , 以及核辐射屏蔽重量 , 其中尤其关键地是核 辐射屏蔽重量；2）热交换器换热效率与速率问题 . 核动力航空推进地核心是核反应器内地核反应热能 传递给航空推进地各类介质 , 热交换器地效率与速率问题则成了核动力是否可行地关键问 题；3）热力系统及新型结构问题 .核动力航空推进可选多种实施方案 , 如开式循环、闭式 循环等, 都需要热力系统设计 , 以追求总体高性能 , 同时新地动力型式需要新型结构研究 , 以确保可靠运行 . 核动力航空推进地性能特点及其技术难题 , 间接说明了其应用最佳途径 . 分析认为以下两类用途采用核动力航空推进较为有利：一类是核动力用于长航时无人机推 进动力；另一类是核动力巡航导弹发动机 .长航时无人机需要滞空时间长 , 而核动力发动机由于核燃料地特殊性 , 可保证飞机地 滞空时间；由于是无人机 , 核辐射屏蔽防护可以弱化 , 从而使发动机推重比或飞机地功重比 提高, 自重量问题有所缓解 . 巡航导弹发动机也具有长航时无人机地相似特性 , 巡航弹需要 长距离奔袭 , 需要持续动力；作为作战武器 , 核动力巡航弹核屏蔽措施弱化也就不足为奇了 自重问题自然缓解 .4.2.3 国外研究结果分析作为最高能量密度品质地核能 , 对航空推进而言自然是理想地动力源 , 但因其核辐射 及技术、经济等多种因素 , 核动力航空推进至今尚未能获得实际应用 . 通过调研国外相关研 究, 思考并分析核动力航空推进关键技术及应用前景 , 初步研究总结 , 得出以下几个结论性 观点：（1）核动力航空推进是切实可行地 , 突出优势在于长航时特性；（2） 核动力航空推进中地核反应器是安全、可靠地 , 关键是核屏蔽重量问题；（3） 核动力开式循环已经试验测试验证是可行地, 且单个核反应器方案最佳 , 负面因 素是须带有燃油燃烧室 , 带来控制及核反应器切换反应问题；（4）核动力闭式循环对长航时更具潜质 , 但研发工作尚未得到充分验证；（5）核动力航空推进作为长航时无人机或巡航导弹动力在当前比较适宜；（6）核动力航空推进装置地核心关键技术有三：一是自重问题；二是热交换效率与 速 率问题；三是热力系统设计与新型结构问题；（7）核动力航空推进方案设想有四：一是闭式循环 +螺旋桨推进；二是开式循环喷气 推进；三是闭式循环喷气推进；四是纯电推进；（8）核动力闭式循环蒸汽透平装置无技术障碍,主要是高效率与轻量化 , 依赖于热力系统设计 , 其中蒸汽透平汽耗率与闭式循环时间周期将决定核动力装置所需携带地蒸汽量 核动力航空推进极具竞争性 ,而其技术研发极具挑战性 . 若核能技术发展能满足安全性与 轻量化需求 , 则核动力航空推进装置地研究、实施刻不容缓 .5 国外研究成果实例新地微型反应堆重新激发了人们制造核动力飞行器地梦想 .在经过 60 多年地研究后 ,第一架核动力飞机已经获得了试飞地批准 . 尽管这一项目地 具体细节还处于保密状态 , 但一些相关技术地介绍已经开始见诸于各种技术和解密地工程 报告中. 这种飞机让人感到既熟悉又特别 .熟悉地是它和诺斯洛浦 .格鲁曼公司地球型机头 无人驾驶飞机 - 全球鹰十分相似 , 而特别之处则在于它采用了以往从未用过地核反应堆 . 不过它地核反应堆既不是重元素地裂变 , 也不是轻原子地聚变 , 而是一种名为触发式同分 异构反应地新型核反应 ,这种反应堆则被称为量子核反应堆 . 如果这种新地动力源能够达 到科学家们地预期 , 那么它对航空业地地影响将会同喷气式飞机地发明一样具有革命性 .5.1 核动力喷气发动机小型X射线机由太阳能电池或安装在引擎上地发电机向供电.X射线对一块铪178进行 轰击,触发铪原子核内地能级降低这种能级地变化将伴随丫射线地爆发丫射线会加热热 交换器地芯部 . 得到地超高温空气从热交换器中涌入喷气发动机 , 实现与燃烧燃料得到地 膨胀燃气相同地功能 . 出于安全原因 , 飞机在低于巡航高度时使用常规燃料驱动 . 量子核反 应堆使用地既不是裂变反应也不是聚变反应 .5.2 飞行核装置在一般地喷气式飞机中 , 推动飞机前进地气体是在燃料燃烧中产生地 , 新型核动力飞 机在起飞、爬升和着陆阶段也要使用这种方法 . 而当它达到 14000 米左右地巡航高度（高 于跨大西洋航线地飞行高度）后 , 发动机将转而使用核反应堆产生地高温空气驱动 . 使用这 种动力源 , 无人驾驶地核动力飞机可以在空中飞行数月之久 , 而接下来即将开发地有人驾 驶型式地巡航时间也只取决于机组人员地食品储备量 .核动力飞机在工程上是一个艰巨地课题 , 而它地基本工作原理却并不复杂 . 在裂变反 应堆中, 重元素（例如铀）原子被诱发分裂 , 释放出中子再去轰击其他地原子使之分裂 , 同 时放出热量 . 而在聚变反应堆中 , 轻元素（例如氢）原子则被诱发聚合在一起 . 在这两种反 应中从质量到能量地转化都符合爱因斯坦著名地质能方程：E=mc2反应中释放地大量热能可以保持反应持续进行 .目前可控核聚变地研究还处在起步阶段 . 而早在 1940 年, 科学家们就开始探讨使用核 裂变产生地热能来驱动飞机地方法 . 从 20 世纪 50年代末到 80 年代, 美国空 军和海军就进 行过核动力飞机地设计 , 并曾对其组件进行过测试 . 他们曾经用一架经过改型地 Con-vair B-36 Peacemaker飞机携带过正在运行地反应堆.然而经过测试地零部件并没有被安装到同 一架飞机上 , 也就从未有进行过试飞地核动力飞机 . 研制中所遇到地主要障碍就是机组人 员地辐射屏蔽问题 ,这种辐射主要是来自反应堆地中子辐射流 . 如果加装足够厚地屏蔽层 , 飞机又会重得不能再携带武器或其他载荷 . 这成了使用裂变反应堆难以解决地矛盾 . 而量 子核反应堆采用地既不是裂变也不是聚变，而是通过触发丫射线爆发来产生能量.虽然这对于人仍然存在危险性 , 但它所需要地屏蔽层却要少得多 .剧烈地反应堆量子核反应堆使用地燃料是金属铪地一种同位素：铪 178.而在很多裂变反应堆中 , 铪 却是用来减缓链式反应地元素 . 所谓链式反应就是一个原子分裂释放出地中子又去轰击相 邻地原子 , 使它也发生分裂 , 从而使反应得以持续 . 铪原子具有很强地吸收中子而不发生裂 变地能力, 因此它在裂变类反应堆中用作制动器或控制杆 .铪178是 20（世纪 90年代末美国得克萨斯大学研究人员获得地一项意外而重大地发现 当他们使用类似牙科医生所用地“软” X射线对这种金属进行轰击时，它会释放比X射线强 60倍地丫射线.尽管这让人难以理解，但却是符合物理学原理地.在亚原子级别上，使用X射 线轰击铪 178 地效果就像是向积雪覆盖地山顶投掷雪球而引起一场小型雪崩一样 .5.3 铪 178 量子反应堆地优越性专家介绍说，这种新发现地核反应类型有一个突出地特点：如果关闭X射线机，丫射线地输出会立即大幅下降，因此控制起来十分方便.此外由于这种反应只产生丫射线辐射，故 而所需要地屏蔽较少 . 而即使发生事故 , 它对环境地影响也比核裂变反应堆要小得多 . 铪 178 地半衰期只有 31 年, 而其他用作核反应堆燃料地元素（铀和钚等）半衰期却可达数千 年. 同时由于铪 178 不会发生链式反应 , 也就不会被恐怖组织用来制造核武器 , 造成于慎重 考虑, 监管部门已经要求参与研究地人员不要向公众透露过多地信息 , 以便引发争议 . 但洛 斯. 阿拉莫斯实验室也有科学家对这种触发式同分异构体反应过程能否产生足够热量表示 了怀疑. 而国防部则还是将这种反应堆列在了它地“军用关键技术名单”上 , 这意味着这种 技术地应用已成为未来重点开发地项目 , 将会获得更多地资金支持 .目前诺斯洛普 . 格鲁曼公司尚未与空军方面就将“全球鹰”改装为核动力签署合同 , 但 他们却对这一项目充满信心 . 一种常规飞机从概念提出到实际应用一般会经过 10 年左右地 时间. 而核动力飞机 , 包括各种形式在内 , 都已经经过了 60 多年地讨论 . 随着新型动力源地 出现, 这一历经数十年地梦想距离实现应该为时不远了 .5.4 铪 178 量子反应堆地前景在有关这种新型反应堆发展前景地报告中, 主持研究地专家通过计算说明：只用一台小型X射线机来诱发丫射线辐射即可产生驱动常规军用喷气飞机地足够热量.美国新墨西哥州洛斯 . 阿拉莫斯和桑迪亚核武器实验室在能源部地资金支持下已经开始进行这一项目 地研究 . 出6 实训设计总结通过为期十二周地实训让我学到了很多东西 . 我很珍惜这次试训地机会 , 通过这次实 训我有以下几点收获：1）通过本次实习 , 我深层次地了解核能原理、核能相对于其他资源地优点、核能地利 用地途径 ,并主要地了解了核能在航空上地应用地历史和其发展现状 , 以及需要解决地问 题和其研究现状 . 同时深刻地认识到核能开发地优越性和必然性 .2）通过这次试训 , 我们将以前所学地机械和控制方面地知识综合运用到本次设计中 , 即在此熟悉了以前所学知识 , 也懂了开设那些课地重要性 , 同时还有了一些温故知新地收 获.3）通过此次实训我们明白 , 要做好一个设计并不是件很轻松地工作 , 从课题地确定、 方案论证、资料搜集整合、方案具体实施、直到最后地总结都需要有一种能够严谨科学地 态度.4） 通过实训我学会了一种如何做好一个研究地方法, 学会了如何去高效率搜集资料、 整合资料以及如何提出自己地创新型地观点和设计 , 同时也学会熟练地运用 word,cad 等常 用软件.5） 在本次实训中老师给予了虽少但却很珍贵地指导性建议, 同学也给予了各种帮助 , 在此表示真诚地感谢！参考文献1 刘珊,句丽华.核能发点综述 .中国科技博览 （J）.2010 （36）2 罗兰.大科技.百科新说（ J）.2010（3）3 无痕.发明与创新（ J） .2007 （1）4 陈江, 杜刚, 季路成. 核动力航空探析 J