法國(guó)艦艇核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展與展望

錢 超，王艷武，鮑敬源

(1.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，湖北武漢430033；2.武漢東湖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430212；3.海軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，湖北武漢430063)

0 引言

法國(guó)自主研發(fā)艦艇核動(dòng)力技術(shù)，共建有3座陸上原型反應(yīng)堆，發(fā)展了SNLE，CAS-48，K-15及K-15改進(jìn)型三代四型艦艇核動(dòng)力型號(hào)。法國(guó)艦艇所采用的核動(dòng)力技術(shù)為壓水堆，并將發(fā)展重心放在一體化反應(yīng)堆上，加快自然循環(huán)能力的提升。法國(guó)主張走通用型、多用途核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展路線，其核潛艇應(yīng)用的K-15反應(yīng)堆同樣應(yīng)用于“戴高樂(lè)”號(hào)航母。法國(guó)積極開(kāi)發(fā)新型反應(yīng)堆，其航母反應(yīng)堆提升空間巨大，相比美國(guó)“尼米茲”級(jí)航母反應(yīng)堆單堆熱功率588 MW，“福特”級(jí)航母A1B型反應(yīng)堆單堆熱功率735 MW，法國(guó)現(xiàn)有的K-15型反應(yīng)堆功率只有150 MW，僅與美國(guó)退役航母“企業(yè)”號(hào)反應(yīng)堆相當(dāng)。

1 法國(guó)艦艇核動(dòng)力裝置研發(fā)歷程

1956年法國(guó)開(kāi)工建造其第1艘核潛艇和反應(yīng)堆，代號(hào)Q-244，該潛艇排水量約4 000 t，為攻擊型核潛艇，艇上反應(yīng)堆由美國(guó)提供。由于美國(guó)在技術(shù)方面上的承諾，開(kāi)始階段進(jìn)展順利。然而，隨著戰(zhàn)后法國(guó)與美國(guó)之間政治分歧日益顯露，美國(guó)停止供應(yīng)濃縮鈾，不再向法國(guó)提供核反應(yīng)堆，拒絕分享設(shè)計(jì)資料。之后法國(guó)自行研制的核動(dòng)力裝置未能成功，項(xiàng)目于1959年被迫停工，于1961年撤銷該計(jì)劃，該艇被改裝成為常規(guī)動(dòng)力彈道導(dǎo)彈試驗(yàn)潛艇。

1960年12月，法國(guó)長(zhǎng)期艦艇計(jì)劃確立建造6艘“可畏”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇。1962年法國(guó)對(duì)發(fā)展核潛艇計(jì)劃進(jìn)行了修改，決定按照自己的思路開(kāi)展核潛艇的研制。法國(guó)海軍在達(dá)卡拉希建立了PAT陸上模式堆，對(duì)SNLE型反應(yīng)堆進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，最終裝載在法國(guó)第1艘核潛艇上，“可畏”號(hào)彈道導(dǎo)彈核潛艇于1967年下水，1971年正式服役。

1965年11月，法國(guó)決定研制第1艘攻擊型核潛艇，采用CAS-48一體化壓水堆裝置。CAS-48一體化壓水堆研制采用集中管理模式，法國(guó)原子能委員會(huì)負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)，薩克萊核研究中心負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)研究，卡達(dá)拉希核研究中心負(fù)責(zé)試驗(yàn)任務(wù)，法國(guó)原子技術(shù)公司承擔(dān)建造工作。1971年7月決定建造CAP一體化自然循環(huán)陸上模式堆。1972年正式開(kāi)始建造，1975年11月24日達(dá)到臨界，12月13日達(dá)到滿功率運(yùn)行。法國(guó)“寶石”級(jí)攻擊型核潛艇采用該型壓水堆，首艇“紅寶石”號(hào)于1983年2月服役，至今已有6艘服役。

在CAS-48型反應(yīng)堆基礎(chǔ)上，法國(guó)于1982年啟動(dòng)K-15型壓水堆研發(fā)工作，該型壓水堆采用一體化設(shè)計(jì)，法國(guó)投入1億法郎資金對(duì)CAP陸上模式堆進(jìn)行改造，以保障新型壓水堆的試驗(yàn)研究。該堆于1994年在“凱旋”號(hào)彈道導(dǎo)彈核潛艇上試運(yùn)行，1997年“凱旋”號(hào)服役。K-15反應(yīng)堆單堆軸功率4.15萬(wàn)馬力，與美國(guó)“企業(yè)”號(hào)航母的反應(yīng)堆水平相當(dāng)。“戴高樂(lè)”號(hào)航母采用2座K-15型核反應(yīng)堆，支持40000噸級(jí)的航母就已略顯吃力，航母實(shí)際最高航速僅達(dá)到25 kn。如果用于排水量更大的航母，這型反應(yīng)堆顯然不能滿足需求。而從零開(kāi)始設(shè)計(jì)功率更大的反應(yīng)堆，費(fèi)用昂貴。因此，法國(guó)在后續(xù)計(jì)劃建造PA2新型航母時(shí)，并未考慮采用核動(dòng)力。

法國(guó)于2010年完成第4代潛艇核動(dòng)力RES陸上模式堆的建設(shè)，該模式堆應(yīng)用于新一代攻擊型核潛艇“梭魚”級(jí)。RES計(jì)劃于1995年啟動(dòng)，目標(biāo)是在2005年對(duì)乏燃料水池進(jìn)行調(diào)試，2013年使反應(yīng)堆臨界。2003年RES陸上模式堆開(kāi)始建造，2013年僅完成化石燃料動(dòng)力蒸汽測(cè)試的性能的測(cè)試，至今尚未有反應(yīng)堆臨界的消息。

2 法國(guó)艦艇核動(dòng)力裝置特點(diǎn)

法國(guó)從1955年開(kāi)始至今已先后研制四型艦艇壓水堆，分別是PAT分散型壓水堆、CAS-48一體化壓水堆K-15一體化壓水堆和K-15改進(jìn)型一體化壓水堆，具體應(yīng)用情況見(jiàn)表2。

1）SNLE

SNLE雙冷卻劑回路分散布置反應(yīng)堆，其基本布置與美國(guó)的S5W反應(yīng)堆和英國(guó)的PWR1反應(yīng)堆相似。鈾富集度超過(guò)90%的高濃縮鈾核燃料，為板式合金燃料。

2）CAS-48

CAS-48一體化反應(yīng)堆熱功率為48 MW，燃料富集度7%。CAS-48一體化反應(yīng)堆二回路初始蒸汽壓力為2.3MPa，可提供軸功率12000馬力。CAS-48一體化壓水堆共裝備了6艘“紅寶石”級(jí)攻擊型核潛艇，每艘1座；自然循環(huán)能力高，安全可靠性好，采用電力推進(jìn)，噪聲較低。但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，增加了維修難度。

3）K-15型

K-15型反應(yīng)堆熱功率150 MW，可提供軸功率41500馬力，為CAS48的3.5倍。K-15型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)增大了壓力容器，增加了堆芯中冷卻劑流通截面，減小流動(dòng)阻力，提高自然循環(huán)能力，其自然循環(huán)可帶走40%～49%反應(yīng)堆功率熱量。K-15型反應(yīng)堆的陸上模式堆是RNG，該模式堆顯著提升了核動(dòng)力系統(tǒng)的靜音特性，包括優(yōu)化反應(yīng)堆管路的各模塊的支座，降低冷卻劑流量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)性能，改善設(shè)備安裝靈活性。反應(yīng)堆控制和防護(hù)系統(tǒng)全面數(shù)字化。法國(guó)航母采用與潛艇共用K-15型核反應(yīng)堆的技術(shù)路線，“戴高樂(lè)”號(hào)航母上安裝的K-15反應(yīng)堆與“凱旋”號(hào)潛艇安裝的反應(yīng)堆基本一致，主要是增加了安全防護(hù)屏。

4）K-15改進(jìn)型

K-15改進(jìn)型反應(yīng)堆減小了反應(yīng)堆的物理尺寸（其高度約為10 m），使得能夠適應(yīng)“梭魚”級(jí)核潛艇的布置空間。K-15改進(jìn)型提升了自然循環(huán)的效果和靜音特性。該反應(yīng)堆采用低富集度核燃料，熱功率與K-15型反應(yīng)堆持平，換料周期延長(zhǎng)到10年，換料時(shí)間從5個(gè)月縮短到3個(gè)月。升級(jí)了控制和防護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的人機(jī)界面，提升安全性和可用性。減少了全壽期（建造和運(yùn)行）的費(fèi)用。

RES是“梭魚”設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，主要的創(chuàng)新點(diǎn)如下：堆芯性能（燃耗，壽期等）、核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)模塊的架構(gòu)（支撐結(jié)構(gòu)，固定和移動(dòng)水池的輻射防護(hù)）、儀表、控制和人機(jī)界面。

3 法國(guó)艦艇核動(dòng)力裝置的發(fā)展方向

3.1 未來(lái)法國(guó)潛艇核動(dòng)力裝置的發(fā)展方向

K-15型壓水堆在“凱旋”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇和“戴高樂(lè)”號(hào)航母得到應(yīng)用，而“梭魚”級(jí)攻擊型核潛艇采用K-15改進(jìn)型壓水堆。K-15改進(jìn)型反應(yīng)堆計(jì)劃在卡達(dá)拉希核研究中心的RES陸上模式堆進(jìn)行測(cè)試，但是RES設(shè)施目前已經(jīng)嚴(yán)重拖期。

3.2 未來(lái)法國(guó)航母核動(dòng)力裝置的發(fā)展方向

與旨在成為“戴高樂(lè)”號(hào)姊妹航母的PA2航母計(jì)劃不同，法國(guó)2018年提出的未來(lái)航母計(jì)劃的目標(biāo)是在2040年取代“戴高樂(lè)”號(hào)航母。其軍事需求與PA2航母項(xiàng)目必然存在差別，所以未來(lái)航母的動(dòng)力系統(tǒng)與航母的噸位和航速有著密切的聯(lián)系。

首先從噸位上來(lái)看，目前世界上各國(guó)的航母都朝著大型航母發(fā)展，所以其噸位勢(shì)必大于或等于PA2航母的方案。然后從航速上來(lái)看，法國(guó)從“戴高樂(lè)”航母以來(lái)，一直引進(jìn)美國(guó)的彈射器，艦載機(jī)的起飛對(duì)對(duì)航速要求不高，從PA2航母的參數(shù)上來(lái)看，其航速并沒(méi)有顯著變化，所以對(duì)于未來(lái)航母，其航速很有可能維持在當(dāng)前的水平，也就是在27 kn左右。

從保護(hù)國(guó)內(nèi)核軍工體系的角度而言，法國(guó)目前已有6艘“梭魚”級(jí)核潛艇項(xiàng)目，所以不需要通過(guò)航母反應(yīng)堆方式對(duì)核軍工體系進(jìn)行保護(hù)。參考近十幾年法國(guó)艦艇核動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展歷程，技術(shù)問(wèn)題并不是制約航母發(fā)展的關(guān)鍵因素，未來(lái)航母動(dòng)力形式仍主要取決于法國(guó)的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)。

如果采用目前的K-15改進(jìn)型反應(yīng)堆，可以減少反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)的經(jīng)費(fèi)，為了滿足動(dòng)力的需求，需要增加反應(yīng)堆的數(shù)量。由于K-15改進(jìn)型反應(yīng)堆與K-15型反應(yīng)堆相比，熱功率維持不變，所以輸出軸功率也基本維持不變。K-15型核反應(yīng)堆熱功率僅為150 MW，輸出軸功率約30 MW，假設(shè)以最保守的PA2的噸位和航速方案，未來(lái)航母至少需要3座K-15改進(jìn)型反應(yīng)堆。

如果開(kāi)發(fā)新型反應(yīng)堆，法國(guó)航母反應(yīng)堆仍有很大的提升空間。相比美國(guó)“尼米茲”級(jí)航母反應(yīng)堆單堆熱功率588 MW，“福特”級(jí)航母A1B型反應(yīng)堆單堆熱功率735 MW，法國(guó)現(xiàn)有的K-15型反應(yīng)堆功率只有150 MW，僅與美國(guó)“企業(yè)”號(hào)反應(yīng)堆相當(dāng)。從RES模式堆開(kāi)發(fā)計(jì)劃來(lái)看，法國(guó)新型反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)的周期在7～8年之間，如果未來(lái)航母采用核動(dòng)力，2040年取代“戴高樂(lè)”號(hào)的目標(biāo)時(shí)間較為寬裕。所以法國(guó)從技術(shù)和時(shí)間上采用核動(dòng)力都不存在問(wèn)題，影響法國(guó)航母核動(dòng)力裝置的主要因素仍然取決于費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析法國(guó)艦艇核動(dòng)力發(fā)展歷程，結(jié)合法國(guó)艦艇核動(dòng)力裝置技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展路線，得出結(jié)論如下：

艦艇核動(dòng)力發(fā)展宜采用集中管理模式。艦艇核動(dòng)力技術(shù)復(fù)雜，研制周期長(zhǎng)，工藝難度大，如果管理分散，在協(xié)調(diào)、決策及一致性發(fā)展方面將會(huì)出現(xiàn)較多問(wèn)題。借鑒法國(guó)艦艇核動(dòng)力發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，采用集中管理模式，通過(guò)制定科學(xué)、有效的管理體制機(jī)制，能夠更好地促進(jìn)艦艇核動(dòng)力快速發(fā)展。

艦艇核動(dòng)力發(fā)展宜實(shí)行單獨(dú)立項(xiàng)。艦艇核動(dòng)力具有研制周期長(zhǎng)、技術(shù)密集、經(jīng)費(fèi)投入多等特點(diǎn)，借鑒法國(guó)艦艇核動(dòng)力發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，以戰(zhàn)略專項(xiàng)計(jì)劃的形式發(fā)展艦艇核動(dòng)力，能夠保證核動(dòng)力技術(shù)持續(xù)有效發(fā)展。

艦艇核動(dòng)力發(fā)展宜重視基礎(chǔ)科研。艦艇核動(dòng)力發(fā)展的根本保障是基礎(chǔ)研究，反應(yīng)堆技術(shù)是核動(dòng)力發(fā)展重心，同時(shí)核安全防護(hù)、二回路等技術(shù)協(xié)同發(fā)展，加強(qiáng)這些領(lǐng)域基礎(chǔ)科研的建設(shè)，能夠更好地推進(jìn)艦艇核動(dòng)力創(chuàng)新發(fā)展。