海洋核动力技术发展概况

海洋核动力技术主要涉及潜艇、舰船、浮动式核电站等。对于潜艇核动力技术,当前核潜艇用反应堆几乎都是采用成熟度最高的压水堆;而常规潜艇上可增设小堆AIP系统。舰船用核反应堆与潜艇用反应堆类似,也多采用压水堆。本文将对压水堆技术、小堆AIP技术及海洋核反应堆的装备情况进行概述。

一.压水堆技术

1. 压水堆技术原理

压水堆全称“加压水慢化冷却反应堆”,是核潜艇中应用数量最多、容量最大、成熟度最高的堆型。舰船和潜艇用压水堆通常使用UO2作燃料。裂变中子经水慢化后成为热中子,裂变反应所释放的热量则由冷却水导出堆芯。现有压水堆的热工参数不是很高,但其堆芯结构紧凑、体积小、技术成熟、建造周期较短、安全性好,且已实现标准化和系列化,已成为核潜艇、核航母的主要堆型。

2. 压水堆布置方式

国外核潜艇、核航母的压水堆按布置方式可分为分散布置、半一体化布置和一体化布置三类。分散布置反应堆在核潜艇中占74%;半一体化布置反应堆约18%;一体化布置反应堆占8%。

分散布置:将反应堆、蒸汽发生器、稳压器和主循环泵等设备分散布置在反应堆舱内。国外海军一般采用紧凑分散布置方式,以减轻反应堆上艇压力。

半一体化布置:相比分散布置方式,半一体化布置反应堆取消了阀门,将蒸汽发生器、主泵与核反应堆压力容器以超短管连接,形成半一体化布置核反应堆。

一体化布置:将堆芯、蒸汽发生器、冷却泵、增压器等所有系统的初级组件都装在压水壳内。这种布置方式完全取消了冷却剂系统中的管道连接。

小堆AIP技术

小堆AIP技术是在常规潜艇上增设的一套小型化核动力装置,提供水下航行动力,构成柴电与小堆核电组合的动力系统,即小堆AIP系统。

1. 小堆AIP的系统配置

小堆AIP系统采用结构紧凑、模块化、低温低压、自动化程度高、堆芯寿命长和经济性好的堆型,目前,适用于常规潜艇的小堆AIP系统的堆型有小型一体化压水堆、脉冲堆和高温气冷堆等。其换料和在役检查设备与反应堆结构相适应,并采用包括非能动安全壳冷却、堆芯非能动淹没和余热排出等功能的非能动安全系统,反应堆固有安全性好。

海洋核动力技术发展概况的图1

图 1小堆AIP系统应用于潜艇的基本配置框图

2. 小堆AIP技术的应用

有研究对比发现,在相同有效载荷下,常规燃料AIP潜艇的尺寸和成本比核潜艇小,小堆核动力组合动力系统潜艇最小。潜艇的核动力装置小型化已有阶段性的突破,柴电与小堆核电组合动力潜艇的造价和技术复杂性也将大大低于核潜艇。可以预见,小堆AIP技术一旦装备潜艇,将使现代常规潜艇的攻防作战能力大幅提升,随着小堆AIP技术的完善,其应用前景将更为广阔。

三.海洋用核反应堆装备情况

1. 核动力潜艇压水堆装备情况

S6G反应堆:洛杉矶级攻击核潜艇装备了1台S6G压水堆。S6G型压水堆使用的是长寿命堆芯,工作寿命长达12年,续航力达40万海里左右。

S8G反应堆:俄亥俄级核潜艇装备S8G反应堆,能够在没有反应堆冷却剂泵的情况下以相当大的全功率运行,堆芯热功率312MW,轴功率60000马力。

S9G反应堆:是为弗吉尼亚SSN-774级潜艇设计,可连续运行33年而无需更换核燃料。产生热功率200MW,轴功率约30 MW,铀浓度95%。

OK-650反应堆:北风之神级战略核潜艇主动力装置为1座OK-650型压水堆和1座单轴汽轮机。OK-650型压水堆也是台风级的主动力装置,最大功率为380MW,汽轮机的最大输出功率为74570KW,最大水下航速达到29节。

VM-5反应堆:奥斯卡级巡航导弹核潜艇采用两套核动力装置互为备用,反应堆为两座VM-5紧凑布置压水堆,每座反应堆热功率190~200MW,可提供轴功率73.5MW,堆芯寿命12年以上,可连续航行30万海里。

VM/KTP-6反应堆:亚森级攻击核潜艇的动力系统采用了最新研制的新一代VM/KTP-6型一体化压水反应堆,热功率195MW,可提供轴功率50000马力。该反应堆的核燃料更换周期长达25至30年,几乎与艇体寿命相同。

PWR-2反应堆:前卫级核潜艇的动力装置包括一台PWR-2型压水堆,采用G型堆芯,热功率140MW,可提供轴功率25.73MW。前卫级的PWR-2的燃料棒使用寿命约25年,而机敏级的燃料棒浓度更高,可使用30年左右。

CAS 48反应堆:红宝石级攻击核潜艇的动力核心是CAS 48一次回路压水式反应器,冷却系统采用自然对流循环而不使用加压泵以减低噪音,热功率48MW,自然循环能力30%,铀浓度7%~20%,轴功率9500马力。

K15反应堆:凯旋级采用了与法国戴高乐号航空母舰一样的K-15一体化自然循环压水堆装置,是红宝石级攻击核潜艇采用的CA-S48一体化压水堆的放大型;K-15型压水堆热功率150MW,可提供轴功率约30.5MW,铀浓度7%~20%,堆芯寿命约10年,自然循环能力高达49%。

2. 核动力舰船压水堆装备情况

A2W反应堆:企业号航母采用八个热功率170MW的A2W反应堆,总热功率1360MW,由四台蒸汽轮机带动四个螺旋桨推动船体,总轴功率280000马力。

A4W反应堆:Nimitz级前四艘航母使用两个A4W反应堆,每个反应堆热功率550 MWt,每个机组供应140000轴马力,堆芯寿命25年。

A1G反应堆:A1G反应堆是A1W的后继型号,尼米兹级航母从第五艘开始使用该型反应堆,其基本构型与A1W类似只是增加了堆芯的使用寿命,燃料棒铀浓度97.3%。

A1B反应堆:A1B反应堆装备在福特级航母,与Nimitz级相比,A1B反应堆及其相关的推进装置将需要的人员减少50%。与传统的A4W反应堆相比,新型A1B反应堆的能量输出也高出25%。以此计算A1B的总热功率输出将约为700 MW,可产生125MW的电力,和260 MW轴功率。

RITM-200/400反应堆:RITM-200是俄罗斯破冰船用核动力反应堆,堆芯功率175MW,一体化设计,装在LK-60破冰船上,其后继型号RITM-400堆芯功率315MW,装备在俄罗斯新型破冰船和在研暴风级核动力航母上。

3. “波塞冬”鱼雷核动力系统

“波塞冬”是俄罗斯最新研制的核动力鱼雷,航程达上万公里,可携带常规弹头和核弹头。“波塞冬”反应堆的特性可以根据使用高浓缩铀-235氮化物和液相铅铋合金作为第一反应器冷却剂的研究反应堆的公开数据来估算,其热功率30MW,电功率10MW,箱体直径/高度53厘米,重量361千克,燃料重量160千克。

4. 海上浮动式核电站

海上浮动式核电站采用成熟小型堆技术,具有高效、经济性等优点。美国军方曾建造世界上第一艘浮动式核电站“斯特吉斯”号驳船,搭载了电功率10的MH-1A反应堆,于1968~1975年为巴拿马运河地区的军事基地提供电力。2014年,美国麻省理工学院的研究团队提出了一种新的浮动式核电站(OFNP)概念:采用现有的勘探开采石油天然气的海上平台技术,将核电站置于距离海岸8~11km的海域,平台上搭载电功率200MW的小型模块化反应堆,通过海底电缆实现从核电站到海岸之间的电力传输。

海洋核动力技术发展概况的图2

图 2 美国OFNP剖面图

俄罗斯的浮动式核电站基于大型船体。现已建造竣工的第一座浮动式核电站“罗蒙诺索夫”号于2007年4月在圣彼得堡开工建设,于2013年10月完成配套反应堆安装;船上装配了两套KLT-40S型核反应堆,每套电功率35MW。“罗蒙诺索夫”号在波罗的海造船厂进行测试,其核电机组于2017年上半年启动,该浮动式核电站将在俄楚科奇自治区投入运行,为佩韦克提供电力。

海洋核动力技术发展概况的图3

图 3 俄罗斯图KLT-40S浮动式核电站单个机组示意图

(本报告摘编自北京太阳谷咨询有限公司《国外核动力技术发展及应用调研报告》)

科技信息中心  任正平整理

文章来源:最新科技进展 

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核动力海洋核动力

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