核潜艇由于采用了核动力装置，相较于常规潜艇其水下续航能力长，携带的*器武**也更多，被誉为航行在大洋深处的"幽灵杀手"。但同时核潜艇在设计和使用中，需要额外考虑核动力装置的安全性。反应堆的安全性同时又与艇的安全、人员安全息息相关。一旦核动力装置发生事故无法及时排除，或者发生其他严重事故影响到核动力装置的安全运行，必须要保证反应堆安全停堆，并将反应堆停堆期间的余热导出。如果无法安全停堆，会带来哪些严重后果？1963年美国海军发生的"长尾鲨"号沉没事故中，沉入海底的反应堆最终会怎么样？核反应堆是否如美军说的那样安全，对海洋环境是否有污染。本文试从核潜艇的设计角度，简要进行分析。
图1 准备下水前的长尾鲨号核潜艇
核反应堆事故的严重后果
核潜艇反应堆主要是应用核裂变产生的能量，与核电站一样，其燃料一般是低浓缩的U235。当核潜艇反应堆发生事故以后，会对潜艇、艇上官兵以及所处环境带来影响。
当核潜艇反应堆被迫停堆以后，核潜艇就相当于丧失了主动力，具体的说就是主机、主发无法正常工作，潜艇没有了主电源，此时只能切换至艇上的应急电源。一般来说，潜艇在水下使用蓄电池组、水面使用柴油发电机组作为应急电源。由于蓄电池组的容量有限，所以一旦核潜艇反应堆停堆以后，需要马上上浮至水面切换至柴油发电机组供电。此时由于容量和功率限制，核潜艇水下状态航速受到限制，水下续航时间也受到限制。而当核潜艇上浮至水面以后，肯定会被水面、空中各反潜兵力侦测到，从而丧失了隐蔽性和战斗力。而如果不幸在敌方海区上浮，则可能被俘虏。
核动力装置的主要故障之一就是反应堆失水事故，当反应堆失水时，由于得不到有效的冷却，反应堆堆芯温度会急剧升高，可能会造成堆芯融化。在高温下燃料棒的包层的锆合金与水会发生反应产生氢气，氢气聚*会集**引起爆炸。人们熟知的前苏联切尔诺贝利核电站事故、日本福岛核电站事故，都是由于反应堆失水，产生氢气进而引起爆炸，造成放射性物质大量扩散。
图2 切尔诺贝利核电站事故现场
核潜艇的核动力装置如果发生了核泄漏事故，即便在反应堆已经停堆的情况下，泄漏出去的放射性物质仍然会对艇上的设备和人员造成持续的损害。放射性物质产生的核辐射不仅可以 直接照射 到艇上官兵，会对艇员的身体健康产生损害，还会通过气溶胶经艇上的空调系统扩散到各个舱室，经艇员的呼吸、皮肤、消化道被人体吸收引起 内辐射 。短时间小剂量的照射，对身体的影响是缓慢的、潜在的，大剂量照射会造成死亡会。核辐射对人体产生的后果包括疲劳、头昏、失眠、皮肤发红、溃疡、出血、呕吐、腹泻等。有时还会增加癌症、畸变、遗传性病变发生率，影响几代人的健康。一般讲，身体接受的辐射能量越多，其放射病症状越严重，致癌、致畸风险越大。
核辐射还会对艇上的设备和系统产生损害。艇上的所使用的材料除反应堆舱外，大部分耐辐射性能很低。橡胶材料受辐射以后，会丧失弹性造成密封失效、支撑失效。金属材料受辐射以后会产生溶胀现象，材料力学性能降低，可能会造成设备损坏、管路破裂等。电子设备受辐射以后，其芯片、电子元件会失效，从而造成设备功能失效。
如果核潜艇的放射性物质，泄露到海洋环境，则会对附近海域的生态系统造成影响，会加快海洋生物的基因突变，放射性物质会在动植物体内富集，并通过食物链最终可能影响到人类。
图3 福岛核电站事故，放射性物质泄露并向海洋中扩散，未来会随洋流污染更多地方
长尾鲨号核潜艇的反应堆的简介
长尾鲨号核潜艇采用了一座S5W压水堆。S5W压水堆是美国海军潜艇的紧凑型高可靠性反应堆，从1959年首次应用一直使用到20世纪70年代中期引进S6G反应堆为止。
S5W被美国应用于8级、98艘核潜艇，是美海军迄今为止使用最多的反应堆。1957年12月，美国和英国达成协议，美国可以向英国提供用于英国皇家海军核潜艇的整套S5W型核反应堆。因此英国第一艘核潜艇"无畏"号也是采用的S5W压水堆。
由于核潜艇动力装置技术是美军的核心机密，美国至今仍未解密，@潜艇解码 只在相关设计人员公开的回忆和采访资料中整理出相关信息。S5W压水堆没有单独的原型，该反应堆参考了S3W型或者S4W型反应堆的研制成果，直接上艇应用。
图4 压水堆核动力装置示意图。（具有放射性的关系设备均设置在堆舱，用屏蔽材料保护起来，二回路、机舱没有
S5W是一个额定功率为78MW的双回路压水堆，配有两个垂直U形管蒸汽发生器。反应堆舱重约650吨，堆芯寿命显著提高。据报道，早期S5W反应堆的堆芯寿命约为5500 EFPH（当量全功率小时）。后来的S5W核增加了寿命；大约10000 EFPH。S5W核电站经常使用S3G core 3进行换料，堆芯寿命约为18000 EFPH。
长尾鲨号核潜艇反应堆的有哪些安全保护措施？
@ 潜艇解码 尝试从公开资料，结合核动力设计以及潜艇设计的原理和规范进行分析。
- S5W型压水堆比沸水堆安全
S5W压水堆与沸水堆不同，其一回路并不产生蒸汽，一回路系统将反应堆产生的热量在蒸汽发生器中传递给二回路介质（水）。二回路的介质在蒸汽发生器中被加热产生高温蒸汽，推动主机或主发。因此放射性物质仅在反应堆及一回路内部存在，并不会向外部扩散，这部分有放射性的区域可以通过安全壳包住，防止向外部泄露。
图5 压水堆的工作原理示意图，二回路没有放射性，反射性物质都被安全壳包住
沸水堆则是一回路介质直接产生蒸汽，推动汽轮机。福岛核电站就是采用的典型的沸水反应堆。因此反应堆的放射性物质会随蒸汽经过汽轮机，无法完全封闭在安全壳内，是很容易泄露的，安全性不如压水堆。
图6 沸水堆工作原理示意图，一回路介质直接产生蒸汽做功
- 负反应性
核潜艇的反应堆一般都设计为负反应性堆。所谓负反应性，通俗的讲即反应在没有人为干预的情况下，反应堆内的活性中子越来越少，核反应程度越来越小，温度越来越低，而温度越低中子活性就更低，更不容易反应。这种 负反馈效应 ，使得反应堆在自然条件是趋向于停止反应的。负反应性是反应堆的 固有安全性。
而人们熟知的切尔诺贝利核电站事故，其反应堆是正反应系数的。反应堆在发生故障时，无法及时人工停堆，反应堆温度升高，活性中子越来越多，反应越来越多，反应越多温度越高，进而造成活性中子更多。在这种正反馈作用下，根本无法控制堆芯反应，最终造成堆芯融化、反应堆爆炸的严重后果。
- 压力容器、安全壳
S5W反应堆的燃料棒、控制棒、慢化剂/冷却剂，都被包裹在压力容器中。压力壳采用高强度、耐高温、耐腐蚀、耐辐射的低合金钢材料制成。根据设计条件的不同，压力容器的耐压强度也不同，但对于压水堆的堆型，压力容器一般至少要耐十几兆帕的压力。压力容器核反应堆的一层安全屏障（注：第二层屏障，第一层为燃料棒的包壳）。安全壳将反应堆的一回路系统和主循环泵、蒸汽发生器、稳压器等设备包裹起来，形成另一道屏障（第三层屏障）。这两层屏障主要是保证反应堆的放射性物质不向外部扩散。
图7 反应堆压力容器结构示意图
- 屏蔽层
与陆上核电站不同，艇上的官兵会经常穿过反应堆舱，而官兵们又不能时刻穿上防护服。因此核潜艇在反应堆舱周围一般会设置有屏蔽层，这些屏蔽层都是由几十公分至一米厚的铅块组成的。铅块可以有效吸收发射性物质产生的射线。
由于铅块体积大、重量大，核潜艇上一般只将与艇员生活、通行的区域进行屏蔽，在潜艇的一侧形成走廊即可，在不通行的一侧一般不设置屏蔽。
图8 普通屏蔽铅块（核潜艇使用的屏蔽会更厚）
- 保护系统
核潜艇在设计时，为了保证反应堆的安全还设置了各种保护系统，以应对压力容器、安全壳的失效。例如核潜艇必须要设置应急电源系统，以应对核动力故障的应急供电，保证堆芯的冷却。
核潜艇需设置喷淋系统、安全注入系统，用于保证当控制棒驱动机构故障时，向堆芯注入大量的慢化剂，将中子吸收，保证停堆。堆舱设置负压系统，保证堆舱内的空气不向舱室外部扩散。
核潜艇上的与反应堆核安全相关的系统和设备、必须要有冗余备份，而且必须是不同原理的。比如如果系统上有一台电动泵要执行安全功能，就必须有另一台泵执行备份功能，而这两台泵不能使用同一个电源，需要设置为手动或者气动泵，以闭门同一故障致使两台泵同时无法使用。
图9 核潜艇核动力控制室，艇员需要监测各系统的运行状态，根据运行状态调节各系统参数
反应堆沉没海底后的安全性分析
1963年4月10日，长尾鲨号核潜艇在深潜试验中，不幸沉没海底。长尾鲨号核潜艇的沉没事故的原因分析，可以参考我的前一篇文章《从设计角度分析 "长尾鲨"号核潜艇沉没事故调查结论》。安德森海军上将对外界称，长尾鲨号核潜艇沉没的海区不会发生放射性污染的风险，核反应堆可以无限期地放置在海水中而不会造成任何危险。是否真如美国人说的那样，有没有风险呢？@潜艇解码 根据公开的事故资料尝试进行分析。
- 从沉没原因看，核动力装置的安全性
根据美国海军的公开调查结论，长尾鲨号的沉没原因是机舱进水，导致核动力装置停止运行，丧失电力、动力，下沉直至沉没。因此长尾鲨号的沉没时，直接原因并不是因为核动力装置运行出现故障。核动力装置是在其他故障条件下，触发了保护机制，自动进行了反应堆停堆、二回路停止供汽的操作，且没有再次启动。放射性物质没有向外泄露，在一段时间内是安全的。
根据长尾鲨号S5W压水堆的自身特性，可以推测出反应堆停堆时控制棒已经落下，反应堆反应会逐渐减弱直至停止，反应堆本身是安全的。反应堆停堆以后，由于丧失了电力，堆芯的余热无法主动导出。沉没以后，长尾鲨号核潜艇在巨大海水压力下，船体结构发生破坏，没有进水的艏部结构已经被"压瘪"，而艉部由于已经进水，内外海水压力平衡，基本保持了原来的结构。因此反应堆内的余热，可以通过周围的海水得到冷却，消除了由于反应堆余热可能造成的堆芯融化或者爆炸等严重后果。
图10 长尾鲨号残骸分部示意图
- 从沉没深度看，核动力装置的安全性
长尾鲨号执行的是深潜试验，所在海域是深海，海底深度约2560m。由于海底太深，打捞困难大，美国已经放弃打捞。2500米的海底深度，海水压力是否会对核动力装置产生影响呢？
2500米海底海水压力降达到25MPa，已经远远超过反应堆压力容器的设计压力，是否能承受这一压力，@潜艇解码 通过公开文献试着进行了验算。美国早期压力容器材料采用的碳钢板，其抗拉强度在490～560MPa，推测其许用压力应该在100MPa以上，其性能是超过普通工业用钢的。其次核动力装置在设计过程中，工程上选用的安全系数是偏保守的，假设美国工程师在设计过程中选用的安全系数为2，则意味着材料本身的强度可能还有一倍的储备。因此有理由相信，压力容器在2500m海底是可以保持结构完整的。
2500米海底海水压力将达到25MPa，已经远远超过核动力装置系统管路阀门的设计压力，一回路、二回路系统管路是否能保持完整，维持密封？从设计上来说核动力装置上应用的阀门，其阀体本身的强度可以承受25MPa压力，但密封面可能无法密封25MPa压力。但在工程设计上各系统与外部的界面上的阀门，要求其具有反向截止功能（止回）。反向截止的意思就是在海水压力下，阀门是越压越紧的，海水压力越大密封越紧。
图11 装配中的核反应堆（装料前）
- 从长时间角度看，核动力装置的安全性
由于美国政府没有打捞计划，长尾鲨号的核动力装置将在未来很长时间内在海底存放。这个时间可能是几十年、几百年。那么在这么长时间内，核动力装置是否一直安全呢？
长时间存放，核动力装置需要应对海水的腐蚀。由于海水的腐蚀会造成材料性能的下降。核反应堆压力容器设计厚度一般为几十公分，在容器内部会堆焊一层防腐层。钢的腐蚀速率在达到0.1-0.4毫米/年。以压力容器厚度200mm估算（当前厚度在这个数量级上，参照使用），压力容器厚度腐蚀一半需要250～1000年，此时在会产生安全风险。
长时间存放，核动力装置相关系统管路、阀门的密封性能受海水腐蚀影响较大。系统管路、阀门的腐蚀影响，在设计上一般是根据核动力装置的使用寿命来确定的。长尾鲨号核潜艇的设计寿命与同时期其他潜艇相类比，寿命可能在30年左右。因此可以推测管路和阀门的应对腐蚀的厚度裕量不会超过30年，超过30年以后系统管路、阀门即存在失效风险。
- 核反应堆的自然寿命
核反应堆所使用的U235的半衰期约为7.00×10^8年，可以说在人类灭亡之前，核反应堆仍然存在放射性，会对周围环境产生污染。因此如果放任不管，最后污染环境危害人类是肯定的。在漫长的时间过程中，海底的地质环境也会发生变化，如果发生海底地震、火山喷发等可能会造成核反应堆的屏蔽结构的破坏，引起环境污染。
图12 核燃料U235的衰变过程
总结
长尾鲨号核潜艇沉没2500米海底，其核反应堆在海底应经存放了56年，到目前为止可以认为反应堆是安全的，尚未对所在海域造成污染。但在未来100年之内，继续沉在海底就存在核泄漏风险，可能会对相关海域造成放射性污染。从长远来看，反应堆的防护屏障肯定会失效，美国必须履行其自身的义务，应该尽快公开长尾鲨号反应度的技术细节，制定打捞和后续处理计划并实施，维护地球海洋环境的安全。