國外艦艇一體化反應(yīng)堆技術(shù)應(yīng)用

田沿杰，林曉玲，汪 林，程相勤

(中國人民解放軍90609部隊，北京 100077)

1 概 述

國外海軍核動力艦艇包括核潛艇、核動力巡洋艦和核動力航母，其中核潛艇和核動力航母是目前主要在役的核動力艦艇，是本文的研究對象。

從工程原理上來看，核潛艇與核動力航母所采用的反應(yīng)堆相差不大。如美國新一代“福特”級航母采用的A1B型反應(yīng)堆以及現(xiàn)役“尼米茲”級航母采用的A4W/A1G型反應(yīng)堆都是在美國核潛艇S5W型反應(yīng)堆基礎(chǔ)上加以放大或適當(dāng)改進(jìn)衍生出來的。

國外海軍核動力艦艇裝備的核反應(yīng)堆按布置方式可分為分散布置、半一體化布置和一體化布置3類。從裝備數(shù)量和應(yīng)用廣泛程度來看，分散布置反應(yīng)堆在核潛艇及核動力航母中均占有最大比例，分別占74%和91%；半一體化布置反應(yīng)堆所占比例較少，約18%，且沒有核動力航母應(yīng)用案例；一體化布置反應(yīng)堆在核潛艇及核動力航母都有應(yīng)用，但所占比例最小，分別占8%和9%，如圖1所示。

1）分散布置核反應(yīng)堆裝備情況

分散布置反應(yīng)堆是指將反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器和主循環(huán)泵等設(shè)備分散布置在反應(yīng)堆艙內(nèi)。由于該布置方式存在占用空間大、重量大等問題，國外海軍一般采用緊湊分散布置方式，以減輕反應(yīng)堆上艇/艦壓力。

美國所有核潛艇和核動力航母均采用緊湊分散布置的核反應(yīng)堆；英國核潛艇裝備的PWR-2型反應(yīng)堆主要基于采用美國S5W型反應(yīng)堆技術(shù)的PWR-1型反應(yīng)堆改進(jìn)而來，亦采用分散布置；蘇聯(lián)第1代反應(yīng)堆（VM-A及VM-1A等）和第2代反應(yīng)堆（VM-4、VM-4P和VM-4C等）也是分散布置，并廣泛裝備在蘇/俄第1代及第2代核潛艇上（如“維克多”級、“德爾塔”級等）。

2）半一體化布置核反應(yīng)堆裝備情況

相比分散布置反應(yīng)堆，半一體化布置反應(yīng)堆取消了閥門，將蒸汽發(fā)生器、主泵與核反應(yīng)堆壓力容器以超短管連接，形成半一體化布置核反應(yīng)堆。該布置方式使一回路不易漏水，并提高了蒸汽發(fā)生器管束與反應(yīng)堆堆芯間的高差，從而提高了反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力。

圖 1 國外現(xiàn)役核潛艇反應(yīng)堆布置方式比例圖Fig. 1 Proportion map of the layout of active nuclear submarines’reactors in foreign countries

圖 2 國外現(xiàn)役核動力航母反應(yīng)堆布置方式比例圖Fig. 2 Proportion map of the layout of active nuclear aircraft carriers’ reactors in foreign countries

圖 3 分散布置核反應(yīng)堆原理圖Fig. 3 Schematic of dispersed nuclear reactor

蘇聯(lián)于1975年研制的第3代核反應(yīng)堆（OK650B及OK650B-1等）采用了半一體化布置方式，并廣泛裝備于蘇/俄第3代及第4代核潛艇（“阿庫拉”、“亞森”、“北風(fēng)”等）；此外，法國研制的首型“可畏”級彈道導(dǎo)彈核潛艇亦采用半一體化布置核反應(yīng)堆。

3）一體化布置核反應(yīng)堆裝備情況

一體化反應(yīng)堆之所以被稱為“一體化”，是因?yàn)樗鼘⒍研尽⒄羝l(fā)生器、冷卻泵、增壓器等所有系統(tǒng)的初級組件都裝在壓水殼內(nèi)。這種布置方式完全取消了冷卻劑系統(tǒng)中的管道連接，大幅減少了冷卻劑阻力，有效提高了反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力。

圖 4 半一體化布置核反應(yīng)堆原理圖Fig. 4 Schematic of semi- integrated nuclear reactor

俄羅斯曾建成陸上一體化模式反應(yīng)堆，但由于造價高（有報道稱比俄第3代反應(yīng)堆貴1倍）、縱向尺寸大、維修及換料困難等原因，并未上艦/艇使用。目前世界上只有法國海軍核動力艦艇采用了一體化布置反應(yīng)堆，主要包括CAS48型和K15型2種型號，廣泛裝備法國第1代及第2代攻擊型核潛艇、第2代彈道導(dǎo)導(dǎo)彈核潛艇以及核動力航母上。

圖 5 一體化布置核反應(yīng)堆原理圖Fig. 5 Schematic of integrated nuclear reactor

2 技術(shù)特點(diǎn)分析

國外主要海軍反應(yīng)堆性能參數(shù)比較如表1所示?？梢钥闯?，與其他布置反應(yīng)堆相比，法國一體化核反應(yīng)堆具有自然循環(huán)能力高、采用低濃度鈾核燃料、結(jié)構(gòu)緊湊體積小等特點(diǎn)。

1）自然循環(huán)能力強(qiáng)

自然循環(huán)指在閉合回路內(nèi)依靠熱段（向上流）和冷段（向下流）中的流體密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動壓頭來實(shí)現(xiàn)的流動循環(huán)。對于反應(yīng)堆系統(tǒng)來說，如果堆芯結(jié)構(gòu)和管路設(shè)計合理，就能利用這種驅(qū)動壓頭推動冷卻劑在一回路中循環(huán)，并帶走堆內(nèi)產(chǎn)生的熱量。自然循環(huán)壓水堆提高了反應(yīng)堆的固有安全性，降低噪聲，簡化了系統(tǒng)和設(shè)備。

表 1 國外主要海軍反應(yīng)堆性能參數(shù)比較Tab. 1 Comparison of parameters of major foreign naval reactors

相比分散、半一體化布置反應(yīng)堆，一體化布置核反應(yīng)堆在自然循環(huán)能力上具有明顯優(yōu)勢。一體化布置反應(yīng)堆完全取消了冷卻劑系統(tǒng)中的管道連接，大幅減小了冷卻劑阻力，從而有效提高了反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力。其中美國S9G型反應(yīng)堆自然循環(huán)能力可達(dá)滿功率的25%～30%，而采用一體化布置反應(yīng)堆的法國K15型，其自然循環(huán)能力可高達(dá)50%。

2）采用低濃度鈾核燃料

在20世紀(jì)60年代末，法國就開始用低濃度鈾作為核燃料用在反應(yīng)堆中。法國研制的CAS48型和K15型反應(yīng)堆核燃料鈾濃度僅為7%～20%，而美、英海軍艦艇采用的核動力裝置核燃料的鈾濃度高達(dá)95%。

采用低濃度鈾核燃料無須生產(chǎn)成本高、輻射高的高濃縮鈾，有利于艦艇的經(jīng)濟(jì)性和安全性。但采用低濃度鈾核燃料反應(yīng)堆功率偏低，且換料周期短。目前美、英、俄新一代核潛艇反應(yīng)堆基本達(dá)到“與艇同壽”，即全壽期內(nèi)無需換料。而法國計劃于2017年服役的新一代核潛艇“梭魚”級裝備的K15型反應(yīng)堆堆芯壽命為10年，服役期內(nèi)仍需換料。

3）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小

由于一體化布置反應(yīng)堆將核反應(yīng)堆與蒸汽發(fā)生器組合成一個裝置，其內(nèi)部只有管路和主循環(huán)泵，沒有主動力裝置一次回路，從而使反應(yīng)堆具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，避免了因反應(yīng)堆體積大而不得不增大核潛艇尺寸及排水量的問題。

例如法國第一代攻擊型核潛艇“紅寶石”級采用的CAS48型反應(yīng)堆整個裝置僅重35 t，是世界上最小的核潛艇（水下排水量2 670 t）。新一代攻擊型核潛艇“梭魚”級采用的K15型反應(yīng)堆的高度和直徑也只有10 m和4 m，潛艇水下排水量5 300 t，遠(yuǎn)低于美國“弗吉尼亞”級（7 800 t）、俄羅斯“亞森”級（8 600 t）、英國“機(jī)敏”級（7 400 t）等國外新一代攻擊型核潛艇。

3 裝備使用情況

當(dāng)前僅法國海軍核潛艇和核動力航母采用了一體化布置反應(yīng)堆，主要包括“紅寶石”級攻擊型核潛艇、“梭魚”級攻擊型核潛艇、“凱旋”級彈道導(dǎo)彈核潛艇和“戴高樂”號核動力航母。

1）“紅寶石”級攻擊型核潛艇

“紅寶石”級攻擊型核潛艇設(shè)計獨(dú)特，性能較為先進(jìn)，特別是該艇采用了CAS-48型一體化反應(yīng)堆，該堆占據(jù)空間小、結(jié)構(gòu)緊湊，具有鮮明的技術(shù)特征?！凹t寶石”級核潛艇另外一個典型的技術(shù)特征是采用電力推進(jìn)方式，取消了減速齒輪箱，并且在正常航速航行時，采用自然循環(huán)方式，降低了潛艇噪聲。但是由于核燃料的鈾濃縮度較低，反應(yīng)堆的換料周期較短。每隔5～7年，“紅寶石”級核潛艇就必須入塢并切開壓力殼更換核燃料，換料時間約5個月左右，這對潛艇實(shí)際海上作戰(zhàn)值勤時間造成不利影響。

圖 6 一體化布置核反應(yīng)堆布置圖Fig. 6 Schematic of integrated nuclear reactor

2）“凱旋”級彈道導(dǎo)彈核潛艇

“凱旋”級彈道導(dǎo)彈核潛艇采用的動力裝置與“紅寶石”級核潛艇相同的核能電力推進(jìn)方式以降低噪音，裝備了K15一體化核反應(yīng)堆，其功率達(dá)150 MW，驅(qū)動一組功率30.5 MW的渦輪發(fā)電機(jī)來帶動推進(jìn)器；此外，反應(yīng)器產(chǎn)生的蒸汽也帶動另一個蒸汽渦輪來產(chǎn)生船艦運(yùn)作所需的電力。K15反應(yīng)堆中一回路冷熱劑溫度達(dá)250℃，壓力達(dá)到133 kg/cm2。這比美國現(xiàn)役的“俄亥俄”級彈道導(dǎo)彈核潛艇反應(yīng)堆一次回路冷熱劑的參數(shù)要低一些；K-15反應(yīng)堆使用與法國核電廠類似的低濃度鈾燃料（Low Enriched Uranium，LEU），其鈾235濃度僅約為20%，核燃料更換周期為10年，高于CAS48型的7年。

2）“梭魚”級攻擊型核潛艇

“梭魚”級潛艇核反應(yīng)堆采用“凱旋”級彈道導(dǎo)彈核潛艇和“戴高樂”號航母所用K15型一體化自然循環(huán)反應(yīng)堆裝置的改進(jìn)型，可使用與法國核電廠相同的核燃料，而無需特別研發(fā)專門的核燃料。其動力裝置為混合構(gòu)型，潛艇在低速航行時以核能系統(tǒng)帶動低速電動馬達(dá)以獲得較佳的靜音性能，高速時以蒸氣渦輪直接驅(qū)動推進(jìn)器。此外鑒于法國核動力航母及新型核潛艇均采用K15反應(yīng)堆或其衍生版，未來法國海軍所有核動力艦艇的動力系統(tǒng)將具有高度通用性。

圖 7 K15型反應(yīng)堆原理圖Fig. 7 Schematic of K15 nuclear reactor

3）“戴高樂”號核動力航母

在“戴高樂”號核動力航母動力系統(tǒng)研制上，法國論證后認(rèn)為可以將“戴高樂”號和“凱旋”級核潛艇的核動力項(xiàng)目合并以節(jié)約研制費(fèi)用。鑒于航母對核反應(yīng)堆單堆功率需求大，核潛艇相對較小，法國采取了折中方式，選用了單堆軸功率30.5 kW的反應(yīng)堆，其中“戴高樂”號裝備2座K15型反應(yīng)堆，熱功率共300 MW。

總體來看，“戴高樂”號采用K15型核反應(yīng)堆表現(xiàn)并不順利，特別是總軸功率僅61 MW（法國上一代常規(guī)動力航母“克萊蒙梭”級為93 MW），致使“戴高樂”航母航速過慢，最大航速僅28 kn（“克萊蒙梭”級為32 kn），不但對航母戰(zhàn)技性能造成不利影響，也不利于航母與其他海軍艦艇編隊協(xié)同作戰(zhàn)。

圖 8 “戴高樂”號采用的K15反應(yīng)堆模型Fig. 8 The K15 nuclear reactor of De Gaulle

4 結(jié) 語

從1983年首艘采用一體化反應(yīng)堆的海軍核動力作戰(zhàn)艦艇—法國“紅寶石”號核潛艇服役至今已有30余年，一體化核反應(yīng)堆已成為法國核艦艇主要的動力系統(tǒng)，并對法國海軍核艦艇發(fā)展產(chǎn)生重大影響，通過一體化核反應(yīng)堆特點(diǎn)及國外一體化反應(yīng)堆上艦/艇使用情況分析及梳理，可得到如下結(jié)論：

1）在經(jīng)濟(jì)性上，采用一體化反應(yīng)堆有利有弊

一體化反應(yīng)堆可以采用與民用核電站相同的低濃度鈾核燃料，無需研發(fā)及生產(chǎn)昂貴的高濃度鈾核燃料，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。同時采用低濃度鈾核燃料利于采用民用標(biāo)準(zhǔn)，例如法國在“梭魚”級核潛艇設(shè)計中，如果民用標(biāo)準(zhǔn)能滿足認(rèn)證指標(biāo)將被優(yōu)先采用，這項(xiàng)舉措使“梭魚”級核潛艇的安全性與民用核安全標(biāo)準(zhǔn)比較一致，達(dá)到法國海軍減少人員的要求，從而進(jìn)一步減少成本。

但另一方面，采用低濃度鈾核燃料的反應(yīng)堆換料周期短，雖然法國海軍認(rèn)為更換核燃料的周期大致與艦艇設(shè)備翻修升級的時間周期同步，對實(shí)際值勤效率的影響不大，低濃度鈾核燃料成本也不高。不過核潛艇換料所需的反應(yīng)堆拆除、潛艇艇體切割等相關(guān)設(shè)備和作業(yè)工費(fèi)以及核廢料處理和最終處置等都需要大筆經(jīng)費(fèi)。總體而言采用低濃度鈾核燃料運(yùn)行一體化核反應(yīng)堆的方式，更適合高濃度鈾核燃料生產(chǎn)及儲量不高的國家（如美國主要通過處理大量退役的核彈頭獲得高濃度鈾核燃料）。

2）在作戰(zhàn)性能上，一體化反應(yīng)堆利于艦艇隱蔽性

一體化反應(yīng)堆具有較強(qiáng)的自然循環(huán)能力，從而使?jié)撏г谝欢ê剿傧虏挥脝又鞅镁涂蓭С龆褍?nèi)熱量，相當(dāng)于去掉了核潛艇的一回路主泵噪聲，從而提高了潛艇的隱蔽性。從使用情況看，在2015年年初一次大西洋海上演習(xí)中，法國1艘“紅寶石”級核潛艇成功突破了美海軍以“西奧多·羅斯?！碧柡侥附M成的航母編隊強(qiáng)大的反潛網(wǎng)，顯示出優(yōu)秀的隱蔽性能。

3）在尺寸結(jié)構(gòu)上，一體化反應(yīng)堆利于艦艇小型化

法國海軍主要的作戰(zhàn)區(qū)域是北海、地中海和東大西洋沿岸的大陸架以及近大陸架淺海、中等深度等有利于中小型潛艇活動的海區(qū)。一體化核反應(yīng)堆具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)艦艇小型化，符合法國海軍的實(shí)際需求。

4）在核動力航母方面，采用一體化反應(yīng)堆要滿足航母頂層設(shè)計提出的各種要求

在核航母動力裝置研發(fā)上，早在20世紀(jì)50年代，美國在發(fā)展核動力航母初期時曾考慮直接使用S5W核潛艇標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)堆型，但在大量論證下最終決定在S5W型反應(yīng)堆基礎(chǔ)上重新設(shè)計適用于核航母的大功率反應(yīng)堆。

而法國受經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)水平的限制，其核動力航母“戴高樂”號直接引進(jìn)核潛艇裝備的K15核反應(yīng)堆，從而出現(xiàn)了功率小、航速低、堆芯壽命短等諸多問題。其主要原因在于“戴高樂”號航母直接引進(jìn)核潛艇反應(yīng)堆并不規(guī)范，沒有達(dá)到讓核動力裝置滿足航空母艦總體的要求。從“戴高樂”號航母使用情況和存在的問題來看，核動力航母采用一體化反應(yīng)堆具有可行性，但要按航母頂層設(shè)計的要求設(shè)計核動力裝置，以滿足航母各項(xiàng)戰(zhàn)技要求。