船用核動力裝置及發(fā)展趨勢研究

1 船用核動力裝置技術(shù)發(fā)展概述

1942年12月，以費米為代表的一批美國科學(xué)家在芝加哥大學(xué)網(wǎng)球廳，用石墨和金屬鈾堆砌成后來被稱為“反應(yīng)堆”的裝置，首次實現(xiàn)可控鈾核裂變反應(yīng)，之后美、蘇等國便競相開展核能利用，特別是在軍事利用方面的研究。美國率先提出了以加壓水作為慢化劑與冷卻劑的壓水堆概念，并于1948年建造了世界上第一座潛艇陸上模式堆S1W，1954年建成世界上第一艘核動力潛艇——“鸚鵡螺”號核潛艇，開辟了船用核動力技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元。

蘇聯(lián)的核動力技術(shù)應(yīng)用始于核電站，1954年建成了世界上第一座原子能發(fā)電站，并在此基礎(chǔ)上大力開展了將核能應(yīng)用于艦艇的研究，1958年，蘇聯(lián)第一艘核潛艇“列寧共青團(tuán)”號下水服役，并先后共建造了200余艘核潛艇。英國自1954年開始實施核潛艇研制計劃，其第一艘多用途核潛艇“無畏”號于1963年正式服役。法國第一艘核潛艇“可畏”號于1971年服役。我國也于20世紀(jì)70年代成功建造了第一艘核潛艇，成為世界上第五個掌握潛艇核動力技術(shù)的國家。除此以外，世界各國還將核動力運用于航空母艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、深潛器、破冰船、商船等船用領(lǐng)域，使核動力的優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮。

船用核動力裝置是將核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成機械能與電能，為船舶提供動力的總稱。它主要由核能產(chǎn)生系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)兩部分組成（如圖1所示）。通常而言，核能產(chǎn)生系統(tǒng)由反應(yīng)堆、一回路、相關(guān)的屏蔽和核儀表與控制等系統(tǒng)組成；能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括二回路、軸系、電力和相關(guān)儀控系統(tǒng)等。反應(yīng)堆是產(chǎn)生并維持核裂變能的裝置；一回路包括反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及相關(guān)核輔助系統(tǒng)和專設(shè)安全系統(tǒng)，是保障核反應(yīng)堆正常運行和安全的系統(tǒng)總稱；核儀表和控制系統(tǒng)是反應(yīng)堆及一回路溫度、壓力、流量、水位及核參數(shù)測量裝置及控制系統(tǒng)的總稱。通常將這些涉核的系統(tǒng)和設(shè)備組成部分統(tǒng)稱為核動力裝置。

歷史上，世界各國曾成功運用在船舶上的核動力類型主要包括壓水堆核動力裝置和液態(tài)金屬堆（鈉和鉛鉍）核動力裝置。對于液態(tài)金屬堆而言，其顯著的優(yōu)點是液態(tài)金屬傳熱效率高，可運行于低壓環(huán)境下，可使核動力裝置的體積和重量大幅減少；但是它們對材料耐腐蝕性等有很高的要求，并且由于液態(tài)金屬熔點較高，需要專門的加熱裝置以維持其液體狀態(tài)，這給反應(yīng)堆的運行和維修等帶來了許多新的問題。由于多種原因，液態(tài)金屬堆核動力裝置已于20世紀(jì)退役，目前世界上在役和在建的船用核動力裝置均為壓水堆核動力裝置，其工作原理為：一回路水將反應(yīng)堆核裂變產(chǎn)生的熱量帶出，通過蒸汽發(fā)生器將熱量傳遞給二回路水，使之轉(zhuǎn)化為蒸汽，推動汽輪機發(fā)電或直接驅(qū)動螺旋槳。

與常規(guī)動力相比，核動力所具有的核燃料能量密度極高、持續(xù)高功率輸出能量、不依賴氧氣和艦用燃油運行等特點，對提高船舶自持力、續(xù)航力、機動性、隱蔽性等綜合作戰(zhàn)能力具有更加明顯的優(yōu)勢；但船用核動力也具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高新技術(shù)密集、安全可靠性要求高等高標(biāo)準(zhǔn)，且涉及核與輻射安全，研制周期長、資金投入大。

2 船用核動力的基本類型

自1954年第一艘核動力潛艇問世以來，核動力裝置技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展。在軍用領(lǐng)域，除核潛艇外，采用過核動力的艦艇還有巡洋艦、驅(qū)逐艦、航空母艦、深海裝備等。在民用領(lǐng)域，采用過核動力的船舶主要包括破冰船和核商船等。

2.1 核潛艇

核潛艇是核動力潛艇的簡稱，核潛艇的動力來源是核裂變產(chǎn)生的核能。世界上第一艘核潛艇是美國的“鸚鵡螺”號，1954年1月24日首次開始試航，宣告了核動力潛艇的誕生。目前全世界公開宣稱擁有核潛艇的國家有6個，分別為美國、俄羅斯、英國、法國、中國、印度。其中美國和俄羅斯擁有核潛艇數(shù)量最多。核潛艇的出現(xiàn)和核戰(zhàn)略導(dǎo)彈的運用，使核潛艇發(fā)展進(jìn)入一個新階段，具有裝備核戰(zhàn)略導(dǎo)彈的核潛艇是一支水下威懾的核力量。

核潛艇按照任務(wù)與武器裝備的不同，可分以下幾類：①攻擊型核潛艇，它是一種以魚雷為主要武器的核潛艇，用于攻擊敵方的水面船舶和水下潛艇；②彈道導(dǎo)彈核潛艇，以彈道導(dǎo)彈為主要武器，也裝備有自衛(wèi)用的魚雷，用于攻擊戰(zhàn)略目標(biāo)；③巡航導(dǎo)彈核潛艇，以巡航導(dǎo)彈為主要武器，用于實施戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)攻擊。

2.2 核動力航母

核動力航空母艦，簡稱核航母，是以核能為動力的航空母艦。它是一種以艦載飛機為主要作戰(zhàn)武器的大型水面船舶。依靠核動力航空母艦，一個國家可以在遠(yuǎn)離其國土的地方，不依靠當(dāng)?shù)貦C場對別國施加軍事壓力和進(jìn)行作戰(zhàn)。

自從美國建成核潛艇后，美國就決定用潛艇核動力技術(shù)研制航母核動力技術(shù)。1961年11月，世界上第一艘核動力航母“企業(yè)”號建成并開始服役。美國的“企業(yè)”號航母上裝備了8座單堆功率為150 MW的A2W核反應(yīng)堆，使航空母艦具有更大的機動性和驚人的續(xù)航力；而且，它可以高速地駛往世界上任何一個海域?！捌髽I(yè)”號核動力航母的問世，使航空母艦的發(fā)展進(jìn)入新紀(jì)元。

美國在“企業(yè)”號核動力航空母艦基礎(chǔ)上又發(fā)展了“尼米茲”級核動力航空母艦，這是美國第二代核動力航空母艦。它的首制艦是“尼米茲”號，于1975年5月建成、服役。它的標(biāo)準(zhǔn)排水量為72 916 t，艦長332.9 m，寬40.8 m，艦上裝有2座核反應(yīng)堆（ A4W/AIG）和4臺蒸汽輪機，航速30節(jié)以上，裝填一次核燃料可持續(xù)使用13年，航程可達(dá)100萬海里。艦上可搭載90架各種類型戰(zhàn)機，最大艦載機數(shù)量超過一百架?！澳崦灼潯奔壥敲绹＼姶笮秃藙恿娇漳概灒咸栕訡VN-68至CVN-77，共建造十艘。

從20世紀(jì)60年代開始設(shè)計建造，直到21世紀(jì)初，“尼米茲”級一直是美國海上力量和全球戰(zhàn)略的支柱。目前，美國又研制了第三代“福特”級核動力航空母艦，其首艦CVN-78采用2座全新的A1B反應(yīng)堆。該型核動力可進(jìn)一步增強安全性，提高堆艙功率密度，延長反應(yīng)堆堆芯壽期，提高供電能力，改進(jìn)設(shè)備性能，簡化系統(tǒng)設(shè)備，減少維護(hù)和人員需求，提高效費比等。

除美國外，目前世界上只有法國有一艘核動力航母——“戴高樂”號，采用雙堆布置。

2.3 核動力巡洋艦

世界上第一艘核動力巡洋艦是美國伯利恒鋼鐵公司于1957年12月開工，1960年下水的“長灘”號核動力導(dǎo)彈巡洋艦。核動力巡洋艦的最大特點就是續(xù)航能力強，它可連續(xù)航行幾年，繞地球數(shù)周而無須補充燃料?！伴L灘”號滿載排水量為1.8 X 104 t，裝備有巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、防空導(dǎo)彈和反潛導(dǎo)彈。此后，美國又建造了4種型號8艘核動力巡洋艦，目前已全部退役。

蘇聯(lián)的“基洛夫”級核動力導(dǎo)彈巡洋艦是除美國外其他國家僅有的4艘核動力巡洋艦，也是目前世界上最大的巡洋艦。它們的滿載排水量達(dá)2.8 X 104 t，艦上各種導(dǎo)彈發(fā)射裝置達(dá)250管之多，最多可攜帶296枚導(dǎo)彈。

2.4 核動力深海裝備

深海裝備是一類不受海面風(fēng)浪影響，可長周期、全天候在深海域直接操控作業(yè)的工具，可進(jìn)行水下工程作業(yè)、資源開發(fā)、海洋科學(xué)研究和海洋軍事對抗的裝備。其一般可潛于1500～4 500 m的深海，可自主地以最大10余節(jié)航速潛行，根據(jù)排水量，可支持60余日的深海工作時間，且目前水中兵器尚不能有效對其予以攻擊。

采用核動力后的深海裝備會使其續(xù)航力和深海移動能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)深海裝備，是獨具優(yōu)勢的水下軍事平臺。美國建造了1艘深潛核潛艇（NR -1），俄羅斯至少建造了7艘深潛核潛艇（10831，1910，1851等）和1艘混合動力試驗艇，用于情報偵查、武器系統(tǒng)試驗、海洋研究、搜救打撈等目的。

2.5 核動力破冰船

核動力破冰船是指采用核動力作為主要能量來源的破冰船。20世紀(jì)50年代末期，蘇聯(lián)開始將核推進(jìn)船舶用于民用開發(fā)。民用核船舶包括破冰船和破冰貨船，用于輔助蘇聯(lián)北方的北極海岸運輸。自從世界上第一艘核動力破冰船“列寧”號于1959年服役以來，蘇聯(lián)/俄羅斯先后建造了三代共9艘核動力破冰船，目前正在研制第四代核動力破冰船。

2.6 核動力商船

核動力商船是采用核動力來推進(jìn)的商用船舶，用在一些大型船舶上。世界上第一艘核動力商船是美國的“薩瓦納”號，于1962年5月建成，并投入運行。1968年12月，德國建成了世界上第一艘核動力礦砂船“奧托—汗”號，日本建成了第一艘核動力商船“陸奧”號運輸船。

核動力商船具有以下優(yōu)點：一是續(xù)航力大，一次裝上核燃料，可以持續(xù)航行好幾年；二是航速高，由于核動力裝置功率大，可以獲得較高航速；三是經(jīng)濟(jì)性好，雖然初期投資高，但是可以節(jié)約燃料費，總體上經(jīng)濟(jì)性高。但由于核動力商船需要專門碼頭進(jìn)行維護(hù)、保障、裝卸核燃料等，給核商船的使用帶來了極大的限制，所以上述核商船都退役了，目前世界上無在役的核商船。

3 船用核動力的設(shè)計特點及發(fā)展趨勢

3.1 設(shè)計特點

用于船舶上的核動力，一方面，由于其建造環(huán)境、運行工況等與陸上核電站有很大的差別，因此相對于陸上核電站，船用核動力具有其特有的特點；另一方面，不同種類的船用核動力也因為使命任務(wù)和運行環(huán)境等差別，各自之間也有較明顯的不同特點。

船用核動力均建造在船舶上，由于船舶往往受到重量和尺寸的限制，其給核動力的建造空間通常都十分苛刻。因此，船用核動力的一個重要特點便是體積小、重量輕。核動力船舶通常都在海上運行，將長期經(jīng)受海洋條件對堆芯安全可能帶來的負(fù)面影響。另外，船用核動力還需要考慮可能出現(xiàn)的因船體碰撞、魚雷爆炸等帶來的強沖擊影響。核動力船舶由于任務(wù)使命的不同，其運行工況也有各自不同的特點，例如對于破冰船核動力，由于它需要短時階躍輸出高功率，所以對核動力功率輸出方面有特殊的要求。

3.2 發(fā)展趨勢

3.2.1發(fā)展歷程

從國外船用核動力技術(shù)發(fā)展歷史不難發(fā)現(xiàn)，其技術(shù)發(fā)展均以潛艇核動力技術(shù)發(fā)展為主線，經(jīng)歷了更新?lián)Q代的過程。美國以反應(yīng)堆技術(shù)為標(biāo)志先后發(fā)展了幾代潛艇核動力技術(shù)，分別經(jīng)歷了起步階段、批量建造階段、性能提高階段和性能優(yōu)化階段；蘇聯(lián)/俄羅斯、英國和法國也先后以反應(yīng)堆技術(shù)為標(biāo)志，發(fā)展了幾代潛艇核動力技術(shù)。

各國在潛艇核動力技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，將核動力技術(shù)不斷拓展應(yīng)用，發(fā)展出航母核動力、驅(qū)護(hù)艦核動力、深海裝備用核動力、破冰船用核動力等。其中美國在航母核動力技術(shù)上已先后發(fā)展出三代技術(shù)，俄羅斯在破冰船用核動力技術(shù)上先后發(fā)展出三代技術(shù)。

總體而言，各國船用核動力技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)了功率由小到大、單艦／艇反應(yīng)堆裝堆數(shù)量由多到少、反應(yīng)堆自然循環(huán)能力由低到高、堆芯壽期由短到長、反應(yīng)堆安全可靠性不斷提高等過程。

3.2.2發(fā)展特點

（1）國家戰(zhàn)略，持續(xù)發(fā)展

國外將船用核動力的發(fā)展作為國家戰(zhàn)略實施（如美國海軍反應(yīng)堆計劃實施船用反應(yīng)堆專項研究，優(yōu)先發(fā)展反應(yīng)堆技術(shù)），國家高度重視，確保長期充足的經(jīng)費支持、注重中長期發(fā)展計劃和規(guī)劃的貫徹實施，同時建立并維持基礎(chǔ)核科技能力。

（2）壓水堆是船用核動力的首選堆型

船用核動力仍是當(dāng)前的發(fā)展重點，各國根據(jù)軍事需求，開發(fā)了不同功率水平和技術(shù)特點，適用于潛艇、航母和大型水面船舶的多種核動力，以滿足武器裝備對動力、電力的不同需求。壓水堆仍是新一代船用核動力的首選堆型。

（3）堅持持續(xù)改進(jìn)，不斷提高核動力總體性能

核動力研制注重穩(wěn)步推進(jìn)，著力突破單項關(guān)鍵技術(shù)，充分發(fā)揮技術(shù)的推動作用，逐步提升核動力總體性能；針對現(xiàn)有核動力裝置的不足，制訂改進(jìn)計劃，進(jìn)一步提高可靠性與安全性，實現(xiàn)核動力技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

（4）充分驗證，成熟推廣

船用核動力的發(fā)展遵循了從試驗堆到試驗艇，通過不斷改進(jìn)與優(yōu)化，最后成熟推廣的發(fā)展思路。50多年來，美國在研制潛艇核動力時，始終注重技術(shù)可行性和裝置的可靠性，先后建造了多座陸上模式堆。

3.2.3技術(shù)發(fā)展趨勢

從目前已掌握的國外船用核動力技術(shù)發(fā)展情況可以歸納出其技術(shù)發(fā)展趨勢主要是：堅持壓水堆技術(shù)路線，并不斷提高性能水平；同時不斷探索新技術(shù)。

（1）壓水堆技術(shù)

壓水堆技術(shù)仍是各國堅定不移、堅持發(fā)展的船用核動力技術(shù)，其發(fā)展趨勢是：提高安全性和可靠性，增長堆芯壽命，增強反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力，注重減振降噪等。

（2）新技術(shù)。

國外在堅持發(fā)展壓水堆技術(shù)的同時，還不斷探索新技術(shù)，以期進(jìn)一步大幅提升船用核動力總體性能。

參考文獻(xiàn)

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