船用核动力装置及发展趋势研究

伍赛特

1 船用核动力装置技术发展概述

1942年12月，以费米为代表的一批美国科学家在芝加哥大学网球厅，用石墨和金属铀堆砌成后来被称为“反应堆”的装置，首次实现可控铀核裂变反应，之后美、苏等国便竞相开展核能利用，特别是在军事利用方面的研究。美国率先提出了以加压水作为慢化剂与冷却剂的压水堆概念，并于1948年建造了世界上第一座潜艇陆上模式堆S1W，1954年建成世界上第一艘核动力潜艇——“鹦鹉螺”号核潜艇，开辟了船用核动力技术发展的新纪元。

苏联的核动力技术应用始于核电站，1954年建成了世界上第一座原子能发电站，并在此基础上大力开展了将核能应用于舰艇的研究，1958年，苏联第一艘核潜艇“列宁共青团”号下水服役，并先后共建造了200余艘核潜艇。英国自1954年开始实施核潜艇研制计划，其第一艘多用途核潜艇“无畏”号于1963年正式服役。法国第一艘核潜艇“可畏”号于1971年服役。我国也于20世纪70年代成功建造了第一艘核潜艇，成为世界上第五个掌握潜艇核动力技术的国家。除此以外，世界各国还将核动力运用于航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、深潜器、破冰船、商船等船用领域，使核动力的优势得到了充分的发挥。

船用核动力装置是将核裂变反应产生的热能转换成机械能与电能，为船舶提供动力的总称。它主要由核能产生系统和能量转换系统两部分组成（如图1所示）。通常而言，核能产生系统由反应堆、一回路、相关的屏蔽和核仪表与控制等系统组成；能量转换系统包括二回路、轴系、电力和相关仪控系统等。反应堆是产生并维持核裂变能的装置；一回路包括反应堆冷却剂系统及相关核辅助系统和专设安全系统，是保障核反应堆正常运行和安全的系统总称；核仪表和控制系统是反应堆及一回路温度、压力、流量、水位及核参数测量装置及控制系统的总称。通常将这些涉核的系统和设备组成部分统称为核动力装置。

历史上，世界各国曾成功运用在船舶上的核动力类型主要包括压水堆核动力装置和液态金属堆（钠和铅铋）核动力装置。对于液态金属堆而言，其显著的优点是液态金属传热效率高，可运行于低压环境下，可使核动力装置的体积和重量大幅减少；但是它们对材料耐腐蚀性等有很高的要求，并且由于液态金属熔点较高，需要专门的加热装置以维持其液体状态，这给反应堆的运行和维修等带来了许多新的问题。由于多种原因，液态金属堆核动力装置已于20世纪退役，目前世界上在役和在建的船用核动力装置均为压水堆核动力装置，其工作原理为：一回路水将反应堆核裂变产生的热量带出，通过蒸汽发生器将热量传递给二回路水，使之转化为蒸汽，推动汽轮机发电或直接驱动螺旋桨。

与常规动力相比，核动力所具有的核燃料能量密度极高、持续高功率输出能量、不依赖氧气和舰用燃油运行等特点，对提高船舶自持力、续航力、机动性、隐蔽性等综合作战能力具有更加明显的优势；但船用核动力也具有结构复杂、高新技术密集、安全可靠性要求高等高标准，且涉及核与辐射安全，研制周期长、资金投入大。

2 船用核动力的基本类型

自1954年第一艘核动力潜艇问世以来，核动力装置技术获得了迅猛的发展。在军用领域，除核潜艇外，采用过核动力的舰艇还有巡洋舰、驱逐舰、航空母舰、深海装备等。在民用领域，采用过核动力的船舶主要包括破冰船和核商船等。

2.1  核潜艇

核潜艇是核动力潜艇的简称，核潜艇的动力来源是核裂变产生的核能。世界上第一艘核潜艇是美国的“鹦鹉螺”号，1954年1月24日首次开始试航，宣告了核动力潜艇的诞生。目前全世界公开宣称拥有核潜艇的国家有6个，分别为美国、俄罗斯、英国、法国、中国、印度。其中美国和俄罗斯拥有核潜艇数量最多。核潜艇的出现和核战略导弹的运用，使核潜艇发展进入一个新阶段，具有装备核战略导弹的核潜艇是一支水下威慑的核力量。

核潜艇按照任务与武器装备的不同，可分以下几类：①攻击型核潜艇，它是一种以鱼雷为主要武器的核潜艇，用于攻击敌方的水面船舶和水下潜艇；②弹道导弹核潜艇，以弹道导弹为主要武器，也装备有自卫用的鱼雷，用于攻击战略目标；③巡航导弹核潜艇，以巡航导弹为主要武器，用于实施战略、战术攻击。

2.2  核动力航母

核动力航空母舰，简称核航母，是以核能为动力的航空母舰。它是一种以舰载飞机为主要作战武器的大型水面船舶。依靠核动力航空母舰，一个国家可以在远离其国土的地方，不依靠当地机场对别国施加军事压力和进行作战。

自从美国建成核潜艇后，美国就决定用潜艇核动力技术研制航母核动力技术。1961年11月，世界上第一艘核动力航母“企业”号建成并开始服役。美国的“企业”号航母上装备了8座单堆功率为150 MW的A2W核反应堆，使航空母舰具有更大的机动性和惊人的续航力；而且，它可以高速地驶往世界上任何一个海域。“企业”号核动力航母的问世，使航空母舰的发展进入新纪元。

美国在“企业”号核动力航空母舰基础上又发展了“尼米兹”级核动力航空母舰，这是美国第二代核动力航空母舰。它的首制舰是“尼米兹”号，于1975年5月建成、服役。它的标准排水量为72 916 t，舰长332.9 m，宽40.8 m，舰上装有2座核反应堆（ A4W/AIG）和4台蒸汽轮机，航速30节以上，装填一次核燃料可持续使用13年，航程可达100万海里。舰上可搭载90架各种类型战机，最大舰载机数量超过一百架。“尼米兹”级是美国海军大型核动力航空母舰，舷号自CVN-68至CVN-77，共建造十艘。

从20世纪60年代开始设计建造，直到21世纪初，“尼米兹”级一直是美国海上力量和全球战略的支柱。目前，美国又研制了第三代“福特”级核动力航空母舰，其首舰CVN-78采用2座全新的A1B反应堆。该型核动力可进一步增强安全性，提高堆舱功率密度，延长反应堆堆芯寿期，提高供电能力，改进设备性能，简化系统设备，减少维护和人员需求，提高效费比等。

除美国外，目前世界上只有法国有一艘核动力航母——“戴高乐”号，采用双堆布置。

2.3  核动力巡洋舰

世界上第一艘核动力巡洋舰是美国伯利恒钢铁公司于1957年12月开工，1960年下水的“长滩”号核动力导弹巡洋舰。核动力巡洋舰的最大特点就是续航能力强，它可连续航行几年，绕地球数周而无须补充燃料。“长滩”号满载排水量为1.8 X 10⁴ t，装备有巡航导弹、反舰导弹、防空导弹和反潜导弹。此后，美国又建造了4种型号8艘核动力巡洋舰，目前已全部退役。

苏联的“基洛夫”级核动力导弹巡洋舰是除美国外其他国家仅有的4艘核动力巡洋舰，也是目前世界上最大的巡洋舰。它们的满载排水量达2.8 X 10⁴ t，舰上各种导弹发射装置达250管之多，最多可携带296枚导弹。

2.4  核动力深海装备

深海装备是一类不受海面风浪影响，可长周期、全天候在深海域直接操控作业的工具，可进行水下工程作业、资源开发、海洋科学研究和海洋军事对抗的装备。其一般可潜于1500～4 500 m的深海，可自主地以最大10余节航速潜行，根据排水量，可支持60余天的深海工作时间，且目前水中兵器尚不能有效对其予以攻击。

采用核动力后的深海装备会使其续航力和深海移动能力远远超过常规深海装备，是独具优势的水下军事平台。美国建造了1艘深潜核潜艇（NR -1），俄罗斯至少建造了7艘深潜核潜艇（10831，1910，1851等）和1艘混合动力试验艇，用于情报侦查、武器系统试验、海洋研究、搜救打捞等目的。

2.5  核动力破冰船

核动力破冰船是指采用核动力作为主要能量来源的破冰船。20世纪50年代末期，苏联开始将核推进船舶用于民用开发。民用核船舶包括破冰船和破冰货船，用于辅助苏联北方的北极海岸运输。自从世界上第一艘核动力破冰船“列宁”号于1959年服役以来，苏联/俄罗斯先后建造了三代共9艘核动力破冰船，目前正在研制第四代核动力破冰船。

2.6  核动力商船

核动力商船是采用核动力来推进的商用船舶，用在一些大型船舶上。世界上第一艘核动力商船是美国的“萨瓦纳”号，于1962年5月建成，并投入运行。1968年12月，德国建成了世界上第一艘核动力矿砂船“奥托—汗”号，日本建成了第一艘核动力商船“陆奥”号运输船。

核动力商船具有以下优点：一是续航力大，一次装上核燃料，可以持续航行好几年；二是航速高，由于核动力装置功率大，可以获得较高航速；三是经济性好，虽然初期投资高，但是可以节约燃料费，总体上经济性高。但由于核动力商船需要专门码头进行维护、保障、装卸核燃料等，给核商船的使用带来了极大的限制，所以上述核商船都退役了，目前世界上无在役的核商船。

3  船用核动力的设计特点及发展趋势

3.1  设计特点

用于船舶上的核动力，一方面，由于其建造环境、运行工况等与陆上核电站有很大的差别，因此相对于陆上核电站，船用核动力具有其特有的特点；另一方面，不同种类的船用核动力也因为使命任务和运行环境等差别，各自之间也有较明显的不同特点。

船用核动力均建造在船舶上，由于船舶往往受到重量和尺寸的限制，其给核动力的建造空间通常都十分苛刻。因此，船用核动力的一个重要特点便是体积小、重量轻。核动力船舶通常都在海上运行，将长期经受海洋条件对堆芯安全可能带来的负面影响。另外，船用核动力还需要考虑可能出现的因船体碰撞、鱼雷爆炸等带来的强冲击影响。核动力船舶由于任务使命的不同，其运行工况也有各自不同的特点，例如对于破冰船核动力，由于它需要短时阶跃输出高功率，所以对核动力功率输出方面有特殊的要求。

3.2  发展趋势

3.2.1发展历程

从国外船用核动力技术发展历史不难发现，其技术发展均以潜艇核动力技术发展为主线，经历了更新换代的过程。美国以反应堆技术为标志先后发展了几代潜艇核动力技术，分别经历了起步阶段、批量建造阶段、性能提高阶段和性能优化阶段；苏联/俄罗斯、英国和法国也先后以反应堆技术为标志，发展了几代潜艇核动力技术。

各国在潜艇核动力技术发展的基础上，将核动力技术不断拓展应用，发展出航母核动力、驱护舰核动力、深海装备用核动力、破冰船用核动力等。其中美国在航母核动力技术上已先后发展出三代技术，俄罗斯在破冰船用核动力技术上先后发展出三代技术。

总体而言，各国船用核动力技术的发展历经了功率由小到大、单舰／艇反应堆装堆数量由多到少、反应堆自然循环能力由低到高、堆芯寿期由短到长、反应堆安全可靠性不断提高等过程。

3.2.2发展特点

（1）国家战略，持续发展

国外将船用核动力的发展作为国家战略实施（如美国海军反应堆计划实施船用反应堆专项研究，优先发展反应堆技术），国家高度重视，确保长期充足的经费支持、注重中长期发展计划和规划的贯彻实施，同时建立并维持基础核科技能力。

（2）压水堆是船用核动力的首选堆型

船用核动力仍是当前的发展重点，各国根据军事需求，开发了不同功率水平和技术特点，适用于潜艇、航母和大型水面船舶的多种核动力，以满足武器装备对动力、电力的不同需求。压水堆仍是新一代船用核动力的首选堆型。

（3）坚持持续改进，不断提高核动力总体性能

核动力研制注重稳步推进，着力突破单项关键技术，充分发挥技术的推动作用，逐步提升核动力总体性能；针对现有核动力装置的不足，制订改进计划，进一步提高可靠性与安全性，实现核动力技术的持续发展。

（4）充分验证，成熟推广

船用核动力的发展遵循了从试验堆到试验艇，通过不断改进与优化，最后成熟推广的发展思路。50多年来，美国在研制潜艇核动力时，始终注重技术可行性和装置的可靠性，先后建造了多座陆上模式堆。

3.2.3技术发展趋势

从目前已掌握的国外船用核动力技术发展情况可以归纳出其技术发展趋势主要是：坚持压水堆技术路线，并不断提高性能水平；同时不断探索新技术。

（1）压水堆技术

压水堆技术仍是各国坚定不移、坚持发展的船用核动力技术，其发展趋势是：提高安全性和可靠性，增长堆芯寿命，增强反应堆的自然循环能力，注重减振降噪等。

（2）新技术。

国外在坚持发展压水堆技术的同时，还不断探索新技术，以期进一步大幅提升船用核动力总体性能。

参考文献

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