海狼號核子動力攻擊潛艦

美國海軍第二艘核能潛艦──搭載S2G液態鈉快滋生反應器的海狼號(USS Seawolf SSN-575)下水的畫面。

航行中的海狼號,遠方是美國海軍艾賽克斯號(USS Essex CV-9)航空母艦

由後方看海狼號

海狼號(左)與鸚鵡螺號(USS Nautilus SSN-571,右),是美國海軍前兩艘核子潛艦。海狼號服役後,

美國海軍就可以利用海狼號與鸚鵡螺號模擬核子潛艦之間的對抗,評估未來的潛艦戰術。

停泊中的海狼號。

 

──by captain Picard

艦名/使用國 海狼號核子動力攻擊潛艦/美國  

(USS Seawolf SSN-575)

承造國/承造廠 美國/Electric Boat division of General Dynamics Corporation in Groton, Connecticut
尺寸(m) 長102.9 舷寬8.4 吃水6.7
排水量(ton) 浮航3400 潛航4287
動力系統/軸馬力 S2G液態鈉反應器,1959年改裝時換成S2W壓水式反應器/15000

蒸汽渦輪*2

雙軸

航速(節) 潛航20
最大潛深(m) 150~200
水面偵測/電子戰系統 BPS-15平面搜索雷達*1
聲納/射控系統 BQS-4被動聲納*1

SQS-4主動聲納*1

MK-101魚雷射控系統

人員 105
艦載武裝

MK-59 533mm魚雷管*6 (攜帶24枚MK-14/16/37/48魚雷等)

備註 1952年7月21日簽約訂購,1953年9月15日安放龍骨,1955年7月21日下水,1958年10月6日服役,1987年3月30日除役 ,1987年7月10日。

 


 

在1954年完成鸚鵡螺號之後,美國海軍繼續建造幾種原型艦來驗證尚未成熟的核能潛艦領域。緊接在鸚鵡螺號之後建造的實驗性核能潛艦是海狼號(USS Seawolf SN-575),1953年9月15日在通用電器船舶安放龍骨,1955年7月21日下水,1957年1月展開試航,1958年10月6日進入大西洋艦隊服役,隨即進行了60天的持續潛航(里程13000海里),刷新了鸚鵡螺號保持的紀錄。

海狼號最主要的目的,是實驗另一種異於壓水反應器的核子推進系統──液態鈉冷卻的快滋生反應器。 傳統的沸水式(BWR)與壓水式(PWR)反應器採用鈾235當作核裂變材料,鈾235屬於可裂(fissile)材料,可以用速率較慢的中子來誘發核分裂連鎖反應;而在第一次分裂反應之後新產生的中子速度都很快(約每秒14000公里),由於速度太快的中子比較容易逸散,無法進一步撞擊核燃料產生分裂,導致效率降低,因此反應器都需要使用緩速劑來降低中子的速度,而PWR與BWR使用的緩速劑是重水,而這類反應器稱為慢中子或熱中子反應器。PWR與BWR反應器成為最早實用化的反應器,然而這些反應器所需的鈾235,在大自然中的鈾礦中只佔0.72%,其餘絕大部分都是比較安定的鈾238(約99.27%);隨著核能工業的日漸普及,遲早會面臨鈾235不敷需求的危機。於是,使用不同燃料的快滋生反應器(FBR)孕育而生。快滋生反應器以快中子撞擊鈾238、釷232等「可孕」(fertile)材料來產生核分裂,這類「可孕」材料唯有在快中子的撞擊下才會產生核分裂;而分裂以後,這些可孕材料會轉變成可裂材料,例如鈾238捕捉一個中子之後會變成鈽239,然後再被其他快中子誘發核分裂反應。而可孕材料裂變產生的中子由於很容易跟其他原子核產生碰撞而喪失動能,無法再誘發其他可孕材料進行分裂,因此快滋生反應器的爐心需要同時搭配可孕與可裂材料才能持續產生連鎖反應,因此還是需要一定的鈾235。雖然可孕材料會因為裂變而逐漸消耗,但裂變之後隨即轉成可裂材料,如果反應時產生的可裂材料超過可孕材料的質量消耗,就稱為「滋生」。原則上,快滋生反應器裡,可裂材料吸收中子跟之後分裂產生的中子數,比例需達到1:2,才能讓可孕材料的消耗與可裂材料的滋生相同。通常,以鈽239作為可裂材料、以鈾238作為可孕材料,是快滋生反應器的最理想燃料組合。相較於慢中子反應器,快滋生反應器能大大減少鈾235的使用量,並充分運用充沛得多的鈾238、鈽239等其他和原料,故能更有效地利用珍貴的鈾235;而快滋生反應器裂變出來的產物鈽239,更是製造核武的原料。由於快滋生反應器功率密度比慢中子反應器更高,需要一種比熱小、能快速帶走熱量的熱傳導物質,因此快滋生反應器通常以液態鈉或液態鉛合金作為熱交換物質,因此往往又稱為液態金屬快滋生反應器(LMFBR)。

由於快滋生反應器 以液態金屬作為交換介質,免除了交換劑蒸發與加壓過程,因此重量比同功率等級的壓水式反應爐低了300ton之多,體積比鸚鵡螺號使用的S1G清水反應器減少約40%,並也節省了加壓所需的能量消耗。此外,液態金屬比熱低、導熱快,能在一分鐘內達到最大功率輸出 ,而且能提供的溫度大大高於水;因此這種功率/重量比高、加速快的反應爐,能賦予潛艦更高的航行性能。海狼號的液態鈉冷卻反應器被稱為潛艦快滋生反應系統(Submarine Intermediate Reactor),其陸地原型S1G(GE公司製造)先在紐約西米爾頓的卡諾核子動力實驗室(Knolls Atomic Power Laboratory at West Milton, NY.)進行測試;而裝備於海狼號上的液態鈉反應器則稱為S2G。S2G的熱交換主迴路採用電磁泵來引導液態鈉進行循環,相較於壓水式反應器的循環泵,電磁泵體積重量都低得多,而且沒有任何轉動部件,可靠度較佳。此外,S2G的液態鈉熱交換迴路的壓力只有5~7大氣壓 。約15 psi (100 kPa) 。

與鸚鵡螺號一樣,海狼號也是以一艘實驗艦的身份問世,主要用於技術測試以及與美國、北約海軍的反潛對抗演習,後來才加裝武器系統與射控裝備擔負戰備任務,其武裝與鸚鵡螺號相同,都是位於艦首的六門533mm魚雷管,魚雷艙的容量亦為18件武器(含發射管內共24件)。海狼號服役後,美國海軍得以利用鸚鵡螺號與海狼號,進行核能潛艦之間的水下對抗,證實當時各項反潛武器系統的不足以及未來需要發展的方向。

然而從海狼號的S2G反應器運作開始,美國海軍就發現液態鈉反應器在實用性方面有許多嚴重 問題。金屬鈉(24Na)吸收中子之後會蛻變爲21Na(半衰期約15小時),衰變後成為會輻射高能γ射線的鈉同位素;為了避免這種情況發生,主熱交換迴路 所經的管道與設備都要屏蔽,反而增加了系統的體積與複雜度,抵銷了快滋生反應器功率重量比較高的理論優勢。更重要的是,金屬鈉的活性與腐蝕性很高,對熱交換迴路管道構成重大考驗,而且碰到空氣或水就會引發爆炸 ,安全性甚差。為了因應這個問題,許多採用液態鈉當熱交換介質的快滋生反應器都採用三級迴路設計,盡量避免讓液態鈉接觸到水與空氣,第一級液態鈉迴路從爐心帶出熱量來加熱第二級液態鈉迴路,第二級迴路又將熱量傳給使用水的第三級熱交換迴路,再由第三級迴路的水蒸氣推動渦輪,這種設計又 大大抵消原本快滋生反應器高效率的優勢,增加了不少體積與複雜度。此外,快滋生反應器的燃料消耗速率較大,需要更頻繁地進行燃料再裝填工程,整體效益不佳。由於液態鈉反應器的問題遠遠大於它的 優點,根本不適合在水下機動、還要面臨作戰時爆震的潛艦;甚至只要將傳統的壓水式反應器加以改良,就可以滿足相關的性能需求。

由於反應器迴路的液態鈉從24Na衰變為21Na而造成的輻射與腐蝕,海狼號的周圍在夜間會有契忍可夫輻射(Cherenkov radiation)的藍光,因此該艦被美國海軍稱為藍霧(Blue Haze)。海狼號只發生過一次較為顯著的冷卻迴路外洩意外,這是停靠在碼頭時發生的。在實際運作時,海狼號的過熱器(superheater)管路由於焊接點破裂,導致高壓蒸氣能洩漏進入低壓的系統,並與液態鈉反應產生氫氧化鈉(sodium hydroxide)與氫氣(H2),此外也可能產生有放射性的3H自由氣體進入主要迴路,造成放射線污染。經過一些整修之後,海狼號仍能在減低輸出功率的情況下,於1957年2月完成原訂的試航工作。然而此時,美國海軍反應器辦公室主管李高佛(Rickover)早已決定放棄液態鈉反應器;在1956年11月,李高佛就通知美國原子能委員會(Atomic Energy Commission ),準備為海狼號更換反應器。依照李高佛的敘述,液態鈉反應器不僅造價昂貴,操作過於複雜,停機需要的時間太長(即便因為小幅度的錯誤),維修工作困難而耗時。在1958年12月12日,海狼號關閉了S2G反應器,先前總計累積的里程數達到71000海里 (其中57000海里是潛航),從未進行全功率輸出,而美國海軍對快滋生反應器的研究就此終止(事實上,直到21世紀初期,快滋生反應器也還未達成商業上的實用性)。

在1958年8月7日,海狼號進行了一次長時間下潛,直到10月6日才浮出,兩個月潛航期間航行了13700海里(25400),展示了核能潛艦長期在水下作業而不上浮的能力;因為這次任務,海狼號得到海軍單位表彰(Navy Unit Commendation)。 在1958年12月12日,海狼號進塢展開大規模改裝工程,將S2G反應器拆除,換成與鸚鵡螺號相同的S2W壓水反應器,並在1960年9月30日重新服役。 在1968年1月30日,海狼號在緬因外海作為當時新服役的鱘魚級核能攻擊潛艦首艦鱘魚號(USS Sturgeon SSN-637)測試聲納系統追蹤能力的目標,然而在操作過程中發生導航失誤,海狼號以20節速率駛入淺水區並撞擊海底,隨後進行緊急上浮;這次擱淺導致海狼號艦首與聲納音鼓毀損,艦尾螺旋槳推進器與控制舵面也受損。海狼號隨後被拖回新倫敦(New London)的康乃迪克(Connecticut)船塢進行整修,直到1969年3月20日才完成修復出塢。

日後海狼號曾進行改裝,加裝配合潛水人員的加/減壓艙、海底探測與照明裝備、能讓潛艦在海床穩定坐底的支架等,投入諸如「長春藤鐘」(Ley Bell,詳見比目魚號核子動力巡航飛彈潛艦一文) 之類的機密情報蒐集任務;「長春藤鐘」是定期為鄂霍次克海床上一條蘇聯海軍高層通信電纜上的竊聽器更換磁帶與電池,這個竊聽器是1971年10月比目魚號(USS Halibut SSGN-587)核子動力巡航飛彈潛艦設置的。在一次任務中,海狼號因為通過鄂霍次克海的風暴而被困在海底,情況危急,艦上人員幾乎要使用自毀炸藥將潛艦炸毀、避免機密外洩。此外,海狼號也曾用來進行搭載DSRV救難潛艇的穩定性實驗。更換心臟 並經過改裝的海狼號繼續為美國海軍效力至1987年3月30日才退役。

值得一提的是,1977到1981年擔任美國總統的吉米.卡特(James Earl "Jimmy" Carter)原本預定是海狼號第一批船員中的工程軍官(當時卡特官階為少尉),然而在海狼號剛開始建造的1953年,吉米卡特就因為父親過世、為了繼承父業而辭職退伍。

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