【深造物理】核動力潛艇是如何運作？做深海任務有何物理限制？

想像一個會移動的發電廠，長期躲在水底，幾乎不用上浮加油，速度快、續航長、還要夠安靜——這就是核動力潛艇。它的核心不是柴油油箱，而是一座小型核反應爐(reactor)，把原子核裂變(fission)釋放的能量，轉成推動螺旋槳或泵噴推進器(pump-jet)的動力。本文會把複雜工程拆解成幾個清晰部份：核反應如何變成推力？它為何能長時間潛航？同時，核動力也不是無敵，限制在哪？我們將一步步說清楚。

為何要核動力：與柴電潛艇的本質差異

先用一張表，快速對比核動力與傳統柴油-電力(柴電)潛艇：

項目	柴電潛艇	核動力潛艇
能源來源	柴油引擎 + 電池	核反應爐 + 蒸汽渦輪
水下續航	受限於電池，需上浮或通氣管充電	理論上數月以上，主要受食物與維修限制
最高航速	一般較低	較高，且可長時間維持
噪音	短時很安靜(用電池時)	追求極靜，但需處理渦輪與泵噪音
後勤需求	需燃油補給	燃料壽命可達多年至十多年
造價與維護	較低	極高、技術門檻大

關鍵差異在於「能量密度」。核燃料的能量密度遠高於化石燃料，等於在艇上帶了一個微型太陽能量級的「長效電池」。這讓核潛艇能長時間高速水下巡航，對戰略威懾與遠洋任務特別重要。

裂變的物理：把原子核拆開的能量

• 核裂變(fission)：某些重原子核(例如鈾或鈈)被中子撞擊後分裂成兩個較輕核，同時放出額外中子與大量熱能。
• 鏈式反應(chain reaction)：新產生的中子再去引發更多裂變。維持穩定反應的關鍵，是「剛剛好」的中子數量。
• 慢化劑(moderator)：把中子速度降下來，增加它被燃料吸收而引發裂變的機率。
• 控制棒(control rods)：含有容易吸收中子的材料(如硼或鎵合金)，插入或抽出來調節中子數，從而控制反應速率。
• 安全係數：現代反應爐設計有「負溫度係數」，意思是溫度升高時反應自然變弱，形成自穩定機制，減少暴衝風險。

艦用反應爐的燃料型式與濃縮度，各國做法不一。有的使用高濃縮鈾(HEU)，有的採低濃縮鈾(LEU)方案。無論路線如何，基本物理都一樣：靠鏈式反應產熱，再以工程設計把熱變成推力。

壓水式反應爐(PWR)：艦上最常見的「熱力工廠」

多數核潛艇使用壓水式反應爐(PWR)。你可以把它想像成一個「超高壓的熱水壺」接著一部「蒸汽工廠」。

• 一迴路(Primary loop)：反應爐把水加熱到很高溫，但因高壓而不沸騰。這股高溫高壓的水經管道流向蒸汽發生器。
• 蒸汽發生器(Steam generator)：像一個大型熱交換器。一迴路的熱水把二迴路(Secondary loop)的水煮成蒸汽，但兩邊水不混合。
• 渦輪與減速齒輪：二迴路蒸汽推動渦輪(Turbine)，帶動減速齒輪，把高速旋轉轉化為適合推進軸的轉速。
• 推進器：傳統是螺旋槳，現代常見泵噴式推進器(pump-jet)，可減少氣穴(cavitation)與噪音。
• 冷凝器與循環：蒸汽經渦輪做工後在冷凝器變回水，再回到蒸汽發生器，形成封閉循環。
• 穩壓器(Pressurizer)：保持一迴路在高壓狀態，避免水在高溫下沸騰，確保傳熱穩定。

整個系統就像兩個彼此隔離的「熱水循環」。一邊是核能加熱，另一邊是蒸汽發電加上機械傳動。隔離的好處是安全：即使二迴路出現問題，也不會把放射性帶出一迴路。

從熱到動：推進的物理直覺

海水像黏稠流體包裹艦體。物理上，阻力大約會隨速度平方增加。這意味要把速度加倍，所需功率大概不只兩倍。核潛艇因為有巨大穩定的熱功率，能在長時間維持較高航速。

• 效率的關鍵：把燃料的核能量，透過熱-機械-流體的鏈條，盡量少損耗地變成推力。
• 泵噴推進：以管道內的葉輪加速水流，減少螺旋槳葉尖產生的氣泡與噪音，提升靜音性能。
• 艦體外形：水滴狀外形減阻；橡膠吸音瓦(anechoic tiles)可吸收聲波，降低回聲。

浮沉與姿態：不是反應爐說了算

潛艇的浮沉靠壓載艙(ballast tanks)控制：注水變重下潛，排氣變輕上浮；細緻調整靠壓力平衡舱與艏艉舵面。核反應爐提供動力，但浮力管理是獨立的「流體靜力學」工程。艙內一般維持近似地面氣壓，深海高壓由耐壓殼體承擔，反應爐與艙內人員都不直接承受外海壓力。

靜音工程：與聲學的長期拉鋸

在水下，聲音是最重要的偵測線索。核潛艇追求「能動得快，也能靜得住」。主要噪音來源與抑制策略包括：

• 機械噪音：渦輪、泵浦、齒輪。對策包括彈性基座(raft mounting)隔振、最佳化齒形、採用自然循環(自然對流)降低泵浦需求。
• 流體噪音：螺旋槳或泵噴的葉片通過頻率音調、艦體邊界層湍流。對策是葉形優化、泵噴、塗層與外形設計。
• 結構聲：機械振動傳到艦殼。對策是多層隔振、吸音瓦。

這是一場工程與物理的博弈：一邊用聲納(sonar)與算法更靈敏地「聽」，另一邊用結構與流體技術更徹底地「靜」。

生命維持：在深海裡「自給自足」

核潛艇的續航，更多受人與物資而非燃料限制。典型的生命維持系統包括：

• 氧氣供應：用電解器把水(H2O)分解成氧與氫；氫可安全排放或再處理。
• 二氧化碳清除：以化學吸收劑(例如含胺溶液或氫氧化鋰)固定CO2，維持艙內空氣質素。
• 淡水生產：以熱能蒸餾或逆滲透把海水變成淡水，供飲用與冷卻。
• 熱管理：反應爐與人員都會產生廢熱，需要透過熱交換器把熱帶走，最後仍要以「比海水略高」的溫差排出。
• 食物與心理：真正限制續航的常是食物儲備與人員心理壓力，而不是核燃料。

安全與防護：屏蔽、冗餘與緊急停堆

在核安全上，軍用與民用反應爐共享同樣的核心原則：多重屏障、多重冗餘、故障可控。

• 屏蔽(Shielding)：厚鋼、鉛與含氫材料(水或聚合物)組合，吸收伽瑪射線與中子，確保船員劑量遠低於安全限值。
• 冷卻冗餘：多組泵浦與熱交換器，關鍵管路具備隔離能力。部分工況可採自然循環，依靠密度差推動冷卻。
• 緊急停堆(SCRAM)：若系統異常，控制棒快速落入爐心，瞬間吸收中子、終止鏈式反應。
• 負反應性特性：溫度升高，反應自抑；水中的硼濃度與控制棒位置協同控制反應度。

歷史上也有事故帶來教訓，例如冷卻失效或材料問題導致的風險。現代設計在材料、監測與程序上累積改進，目標是把低概率事件的後果控制在可承受範圍內。

補給與維修：不是「無限續航」的魔法

縱然核燃料可用多年，但潛艇仍需定期維修、保養與升級。蒸汽渦輪、齒輪箱、泵浦與電子系統都是高複雜度設備，長時間在高溫、高壓、鹽霧環境運作，材料疲勞與腐蝕是硬道理。補給週期通常由食物、易耗品、保養計劃主導，而不是燃料本身。

限制一：成本與工業門檻

核動力潛艇是「全行業的結晶」：核工程、冶金、渦輪機械、消音材料、精密製造、航電與軟體。其造價極高，建造週期長，還需要完整的核燃料循環與退役處理能力。這些使得能操作核潛艇的國家十分有限。

限制二：安全與規範框架

• 核安全文化：程序與紀律是生命線，從操作到維修，每一步都需嚴格驗證。
• 港口政策：部分地區對核動力艦艇進港有嚴格限制或禁止，影響航線與外交安排。
• 人員培訓：需要跨學科、高強度的訓練，確保在狹小空間中長期高可靠運作。

限制三：核不擴散與燃料爭議

艦用燃料的濃縮度問題牽涉核不擴散機制。現行國際規範對「海軍用核燃料」有特殊安排，使其監管方式與民用發電不同，引發如何在國防需要與不擴散之間取得平衡的長期討論。近年也有以低濃縮燃料(LEU)運作的技術方向，目標是兼顧安全、壽命與不擴散。

限制四：可偵測的物理「足跡」

再怎麼安靜，任何大型機械系統都會留下物理足跡，例如聲學訊號與熱排放。現代對抗是一場感測器、訊號處理與工程抑制的長期角力。核潛艇可以把足跡降到很低，但不可能為零。

限制五：退役與廢料處理

反應爐壽命結束後的退役流程，涉及燃料取出、受輻照結構的處置與長期監管。這是成本高昂、需高度專業的工序。各國依自身法律與技術能力，制定不同的退役標準與路線。

近代走向：更靜、更久、更安全

• 自然循環冷卻：在低到中功率下減少泵浦使用，降低機械噪音。
• 泵噴推進器優化：改良葉輪與導流設計，拓寬低氣穴運作區間。
• 長壽命爐心：設計讓燃料在整個艦齡內無需更換或僅少量維護，降低停工時間。
• 先進材料：更耐蝕、耐輻照的合金與複合材料提升可靠度。
• 不擴散友善燃料：探索以LEU達成長壽命與高功率密度的工程解法。

常見迷思：快速釐清

• 會不會像核彈一樣爆炸？不會。反應爐與核彈在物理設計上根本不同；反應爐追求穩定、可控的鏈式反應，且多重安全機制避免暴衝。
• 是不是可以永不浮出水面？不是。人與物資補給、維修與任務需要都會讓潛艇定期返回基地或補給點。
• 會污染海洋嗎？正常運轉下，放射性控制在嚴格標準內；真正需要長期規劃的是退役與廢料管理。
• 深海高壓會壓壞反應爐嗎？艙內維持近似常壓，高壓由耐壓殼體承受。反應爐與乘員不直接暴露在外海壓力中。

把它想像成一棟「會游泳的大廈」

把核潛艇想像成一棟會在水裡移動的大廈：地庫是發電機房(核反應爐與渦輪)，中間是水電管道(雙迴路系統與冷卻)，外牆有隔音與保溫(吸音瓦與屏蔽)，還有全天候運行的空氣與水務系統(氧氣、二氧化碳與淡水)。不同的是，這棟大廈要在三維流體中保持靜默與平衡，還要應對海洋環境的壓力、鹽分與溫差。

結語：核動力潛艇是一門「把能量管好」的藝術

核動力潛艇的本質，是把極高能量密度的核燃料，安全、穩定、安靜地轉化為可長期操控的推力，同時為全艦提供電力與生活所需。從反應爐物理、熱力循環、結構材料，到聲學抑制與生命維持，都是環環相扣的系統工程。它的強項是續航與速度，也背負高昂成本、嚴苛維護與政策規範；它能把足跡壓低，但永遠不會完全消失。理解這些取捨，我們便更能欣賞背後的科學：不是某個「神奇零件」讓它無敵，而是一整套從物理原理到工程實踐的精密平衡。當你下次在新聞看到深海中的鋼鐵巨獸，不妨想想它體內那座「移動的蒸汽工廠」，以及每一度熱、每一分靜，都是物理與工程共同雕琢的成果。