核動(dòng)力裝置應(yīng)用于艦船推進(jìn)領(lǐng)域的技術(shù)可行性分析及前景展望

伍賽特

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司,上海 200438)

0 引言

核能是原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)釋放出的能量,通常為重核裂變或輕核聚變時(shí)所釋放的能量。當(dāng)中子撞擊235U時(shí),235U分裂成2個(gè)～3個(gè)較輕的原子核,產(chǎn)生2個(gè)～3個(gè)中子,以及β射線與γ射線,并釋放出巨大能量,核裂變產(chǎn)生的新中子再引起第二代核裂變反應(yīng),如此形成核裂變反應(yīng)鏈,被稱作鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。

1 核反應(yīng)堆及其分類

核反應(yīng)堆是一種能以可控方式產(chǎn)生自持核反應(yīng)(即裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng))的裝置,可為各種核動(dòng)力裝置提供能量來(lái)源。其中,核反應(yīng)堆的分類如表1所示,部分常見(jiàn)核反應(yīng)堆的基本特征如表1所示。

表1 常見(jiàn)核反應(yīng)堆的基本特征[2］

圖1 核反應(yīng)堆的分類[1］

現(xiàn)階段,世界范圍內(nèi)的核動(dòng)力裝置主要通過(guò)輕水堆(包括壓水堆和沸水堆)來(lái)獲取能量。該領(lǐng)域的發(fā)展主要集中在以下兩個(gè)方向:

(1)核反應(yīng)堆的改進(jìn)與革新。如廣泛采用可靠、安全的先進(jìn)輕水堆,并大力發(fā)展受控?zé)岷司圩兌裑3］。

(2)大功率核反應(yīng)堆的實(shí)用化。由于全世界的常規(guī)能源日趨減少,并且大量使用化石燃料已對(duì)環(huán)境產(chǎn)生越來(lái)越嚴(yán)重的有害影響(如環(huán)境污染和氣候的溫室效應(yīng))。通過(guò)采用由核反應(yīng)堆提供的能量,一定程度上可彌補(bǔ)和消除常規(guī)能源的不足與缺陷,并且在軍用艦船和空間電源等領(lǐng)域[4］,將起到常規(guī)動(dòng)力所無(wú)法達(dá)成的效果。

2 核動(dòng)力裝置及總體技術(shù)特點(diǎn)

核動(dòng)力裝置是將(重元素原子核的)裂變反應(yīng)、(輕元素原子核的)聚變反應(yīng)或放射性核素衰變過(guò)程中釋放的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功,并對(duì)外輸出的動(dòng)力裝置。如上文所述,由于目前多采用輕水堆,因此核動(dòng)力裝置多基于輕水堆發(fā)展而來(lái),其總體技術(shù)特點(diǎn)如下所示:

(1)單位質(zhì)量核燃料所產(chǎn)生的能量較高,輸出的功率較大,有利于提高艦船的航速,如核潛艇的航速明顯高于常規(guī)潛艇;

(2)核燃料更換周期較長(zhǎng),因而核動(dòng)力艦船的續(xù)航能力較強(qiáng),對(duì)燃料供應(yīng)基地的依賴性較低;

(3)核燃料發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)時(shí)不僅會(huì)釋放巨大的核能,也會(huì)產(chǎn)生大量的放射性裂變產(chǎn)物,為此需采用一定的輻射防護(hù)措施;

(4)與常規(guī)燃料的燃燒過(guò)程不同,核動(dòng)力裝置在反應(yīng)過(guò)程中不消耗氧氣,也不會(huì)對(duì)外排放廢氣,因此其環(huán)保性能較好。

當(dāng)代已實(shí)際投入應(yīng)用的核動(dòng)力裝置主要有核電站、核潛艇、核動(dòng)力航空母艦、核動(dòng)力巡洋艦、核動(dòng)力商船、核動(dòng)力破冰船和小型核能電源等,核動(dòng)力火箭、核動(dòng)力航天器等多處于試驗(yàn)研究階段[5］。本文主要針對(duì)核動(dòng)力裝置在軍用艦船領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)展研究。

3 艦船核動(dòng)力裝置的基本組成及其技術(shù)特點(diǎn)

3.1 艦船核動(dòng)力裝置的基本組成

目前,世界范圍內(nèi)的核動(dòng)力艦船普遍采用壓水堆。整個(gè)核動(dòng)力裝置通常由壓水堆、一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等組成。

(1)反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)主要包括主冷卻劑系統(tǒng)、保障主冷卻劑系統(tǒng)運(yùn)行的輔助系統(tǒng)(壓力安全系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)),確保堆芯安全的專設(shè)安全系統(tǒng)(余熱排出系統(tǒng)、安全注射系統(tǒng))等十余個(gè)子系統(tǒng)。

(2)二回路系統(tǒng)又稱為蒸汽供應(yīng)系統(tǒng),主要包括蒸汽系統(tǒng)、蒸汽安全排放系統(tǒng)、凝給水系統(tǒng)等二十余個(gè)子系統(tǒng)[6］。

(3)綜合控制系統(tǒng)主要包括反應(yīng)堆控制、測(cè)量、運(yùn)行支持、管理分系統(tǒng),反應(yīng)堆及一回路儀表控制分系統(tǒng),二回路過(guò)程監(jiān)控分系統(tǒng)[7］,軸系測(cè)量控制分系統(tǒng)等。

(4)電力系統(tǒng)主要包括正常供電系統(tǒng)、應(yīng)急供電系統(tǒng)、電氣綜合監(jiān)控系統(tǒng)、輔機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)等。

(5)輻射防護(hù)系統(tǒng)主要包括輻射防護(hù)設(shè)施和輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分。輻射防護(hù)設(shè)施主要包括屏蔽、通風(fēng)及凈化、堆艙負(fù)壓及應(yīng)急排風(fēng)系統(tǒng)。輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則以固定式連續(xù)監(jiān)測(cè)為主,在艙室有代表性或存在潛在輻射危險(xiǎn)的部位設(shè)置中子和氣載放射性物質(zhì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn),異常情況可發(fā)出報(bào)警信號(hào),以控制艙室環(huán)境的輻射水平。

反應(yīng)堆堆芯核燃料裂變產(chǎn)生的熱量,由一回路水的循環(huán)流動(dòng)過(guò)程帶出堆芯,并通過(guò)蒸汽發(fā)生器傳給二回路水,主冷卻劑由主泵驅(qū)動(dòng)返回堆芯,不斷循環(huán)冷卻反應(yīng)堆。

3.2 艦船核動(dòng)力裝置的技術(shù)特點(diǎn)

(1)利用核動(dòng)力裝置作為艦船的動(dòng)力來(lái)源,其最大的優(yōu)勢(shì)在于,艦船無(wú)須大量的燃料儲(chǔ)備即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行,顯著提升了續(xù)航力。為了裝載燃料,采用常規(guī)動(dòng)力裝置的艦船通常會(huì)有一定的停泊時(shí)間,而核動(dòng)力艦船可有效節(jié)省該部分時(shí)間,并且相應(yīng)增加全艦的航行時(shí)間。一艘核動(dòng)力艦船在一次性裝料后,可維持航行達(dá)數(shù)年之久[8］。

(2)采用核動(dòng)力裝置可有效提升艦船的有效載重量,有利于提高艦船的航速。普通艦船由于裝載了大量?jī)?chǔ)備燃料而減少了有效載重量。若改用核動(dòng)力裝置,則艦船所裝載的核燃料重量幾乎可忽略不計(jì),從而可攜帶更多的武器裝備,或提高全艦的航速,以提升全艦的戰(zhàn)斗性能。

(3)核動(dòng)力裝置的運(yùn)作過(guò)程無(wú)須采用空氣,該特點(diǎn)對(duì)潛艇較為有利,使其能以較高航速在水面下長(zhǎng)時(shí)間航行。

3.3 艦船核動(dòng)力裝置與陸用核動(dòng)力裝置的差異對(duì)比

與陸用核動(dòng)力裝置相比,艦船核動(dòng)力裝置具備一定的特殊性:

(1)由于艦船的容積與重量受到一定限制,為了提高艦船的載彈量、航速及作戰(zhàn)性能,要求艦船核動(dòng)力裝置體積小、重量輕、裝置布置緊湊。設(shè)備比重量越輕越好,以此減少動(dòng)力回路的總重量和總體積,從而充分利用艦船的空間,簡(jiǎn)化系統(tǒng)與設(shè)備。

(2)動(dòng)力裝置、設(shè)備和控制系統(tǒng)需在搖擺、沉浮、振動(dòng)等惡劣海洋條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。艦船長(zhǎng)期在海洋中航行,在風(fēng)浪中縱橫搖擺,起伏無(wú)常,船體經(jīng)常會(huì)發(fā)生20°左右的擺動(dòng),且受0.5 g～1.0 g的振動(dòng)加速度作用。在此類工況下,艦船核動(dòng)力裝置的設(shè)備連接結(jié)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)能穩(wěn)定、可靠地運(yùn)作,系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性應(yīng)高于陸用核動(dòng)力裝置。

(3)與陸用核動(dòng)力裝置不同,艦船核動(dòng)力裝置除了通過(guò)主、輔汽輪發(fā)電機(jī)組供電之外,并無(wú)外電網(wǎng)應(yīng)急供電。因此當(dāng)主、輔汽輪機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),需依靠備用機(jī)組進(jìn)行快速供電。此外,艦船在航行中運(yùn)行負(fù)荷變化較大。因此,就該方面而言,建造艦船核動(dòng)力裝置比陸用核動(dòng)力裝置更為困難。衡量艦船核動(dòng)力裝置性能的相關(guān)指標(biāo)主要包括重量指標(biāo)、尺寸指標(biāo)、機(jī)組有效功率,安全性及可靠性等。

(4)與陸用核動(dòng)力裝置相比,艦船核動(dòng)力裝置需頻繁改變功率。同時(shí),由于艦船人員活動(dòng)場(chǎng)所較小,運(yùn)行條件惡劣,提升了核動(dòng)力裝置的管理難度。此外,艦船仍有可能遭遇碰撞、觸礁、著火、爆炸等意外事件,因此艦船核動(dòng)力裝置需采用有效的安全防護(hù)措施,以確保全艦的安全。

(5)對(duì)潛艇核動(dòng)力裝置而言,要求其回路系統(tǒng)更加集中緊湊。通常一艘大、中型潛艇的艇體耐壓殼直徑約為10 m。為此,要求潛艇核動(dòng)力裝置的主要設(shè)備均能布置在直徑為10 m的耐壓殼體內(nèi)。在設(shè)計(jì)、建造潛艇核反應(yīng)堆等主要設(shè)備時(shí),應(yīng)依據(jù)潛艇的實(shí)際特點(diǎn),降低設(shè)備高度,高效利用艇內(nèi)空間,從而使?jié)撏Ш藙?dòng)力裝置的管路系統(tǒng)布置更為緊湊。不僅如此,潛艇核動(dòng)力裝置對(duì)隱蔽性有著較高要求。其中,噪聲是影響潛艇隱蔽性的一大重要因素,而核動(dòng)力裝置的噪聲通常低于常規(guī)潛艇所用的柴油機(jī),因此進(jìn)一步提升了全艇的隱蔽性。

4 核動(dòng)力裝置在潛艇領(lǐng)域的應(yīng)用研究

4.1 常規(guī)潛艇的技術(shù)特點(diǎn)

潛艇可用于襲擊水面艦船,目前已成為海軍裝備的一種必不可少的重要艦種[9］。常規(guī)潛艇多以柴油機(jī)和蓄電池為動(dòng)力源,但由此會(huì)存在顯著的弊端。例如,當(dāng)潛艇攻擊敵艦,或?yàn)榱硕惚軘撑灦M(jìn)行潛航時(shí),柴油機(jī)無(wú)法在水下直接運(yùn)作,只能用蓄電池提供動(dòng)力,但蓄電池自身容量有限,所以潛艇在水下航行一段時(shí)間后就必須浮出水面,利用柴油機(jī)充電。因此,常規(guī)潛艇雖然能在水下航行,但是存在一定的時(shí)間限制,并且極易暴露目標(biāo)。常規(guī)潛艇大部分時(shí)間會(huì)在水面航行,或在水面下以通氣管狀態(tài)航行,此時(shí)均以柴油機(jī)為動(dòng)力來(lái)源,極易暴露目標(biāo)。為了克服常規(guī)潛艇的這一缺陷,各國(guó)相繼研制了核潛艇。

4.2 核潛艇的技術(shù)特點(diǎn)

核潛艇是以核能為推進(jìn)動(dòng)力源的潛艇。其原理是核反應(yīng)堆產(chǎn)生熱能,通過(guò)一回路中的水將熱量帶走,傳遞到蒸汽發(fā)生器中加熱二回路側(cè)的水成為蒸汽,再由產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)外輸出動(dòng)力。

核潛艇與常規(guī)潛艇的最大區(qū)別就在于將全艇的常規(guī)動(dòng)力裝置改為核動(dòng)力裝置。核動(dòng)力裝置可大幅提升潛艇在水下潛航的時(shí)間,顯著提升全艇的隱蔽性[10］。核動(dòng)力裝置的核心部件是一個(gè)小型的反應(yīng)堆。由于核反應(yīng)堆運(yùn)行不需要來(lái)自水面的空氣,所以核潛艇能在水下長(zhǎng)期航行,只要配有長(zhǎng)壽命的堆芯,可連續(xù)使用十年以上。而核潛艇在水下航行的時(shí)間,多限于船員對(duì)水下生活的極限忍耐力和其他給養(yǎng)的儲(chǔ)備總量。儲(chǔ)備物資則包括食品、武器彈藥等。所以可形象地將常規(guī)潛艇比作“鯨”,而將核潛艇比作“魚”。

4.3 對(duì)潛艇核動(dòng)力裝置的技術(shù)要求

由于潛艇核動(dòng)力裝置必須布置在窄小的艙室內(nèi),又須滿足海上航行與戰(zhàn)斗的需要,對(duì)潛艇核動(dòng)力裝置主要有如下要求:

(1)體積小、重量輕。核動(dòng)力裝置的體積和重量會(huì)直接影響到潛艇的性能和戰(zhàn)斗力。目前,核動(dòng)力裝置的體積和重量,均明顯大于柴油機(jī)與蓄電池等常規(guī)動(dòng)力裝置。雖然核潛艇的尺寸和排水量明顯高于常規(guī)潛艇,但核動(dòng)力裝置的體積仍占其總?cè)莘e的50%左右。重量約占其總重量的1/3左右。因此,有必要進(jìn)一步簡(jiǎn)化潛艇核動(dòng)力裝置的回路系統(tǒng),改進(jìn)設(shè)備性能和機(jī)艙的布置方案,以縮小潛艇核動(dòng)力裝置的體積,并減輕其重量。

(2)高度的靈活性。核潛艇需要能隨時(shí)起動(dòng)、停止,并在短時(shí)間內(nèi)大幅改變功率。

(3)耐沖擊、耐振動(dòng)、抗搖擺。核潛艇內(nèi)部的各項(xiàng)設(shè)備須耐沖擊、耐振動(dòng)、抗搖擺,并能在艇橫傾、縱傾達(dá)40°～50°的條件下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行,以便應(yīng)對(duì)航行或戰(zhàn)斗中可能發(fā)生的各種情況。

(4)較高的安全性及可靠性。由于核潛艇需要長(zhǎng)期遠(yuǎn)離基地并單獨(dú)實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)。如果核動(dòng)力裝置出現(xiàn)重大事故,其后果會(huì)非常嚴(yán)重,除威脅到核潛艇及隨艇人員的安全外,還會(huì)有污染海洋的可能性。由于在核潛艇上開(kāi)展設(shè)備檢修的局限性較大,采取臨時(shí)防護(hù)措施也較為困難,然而仍須在一切情況下確保全艇的推進(jìn)能力。因此,對(duì)核潛艇內(nèi)部各項(xiàng)設(shè)備的安全性和可靠性,提出了極為嚴(yán)格的要求。與核動(dòng)力裝置相關(guān)的一系列輔助設(shè)備通常均需配備兩套,在其中一套輔助設(shè)備發(fā)生故障時(shí),另一套輔助設(shè)備仍能維持運(yùn)行,從而不致出現(xiàn)停堆現(xiàn)象。由于受重量和體積的限制,核潛艇通常只會(huì)配備有一套主機(jī)(壓水堆和汽輪機(jī))。當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí),則會(huì)由蓄電池和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳,作為應(yīng)急措施。在該情況下,潛艇須頻繁上浮到水面可利用通氣管,由輔助柴油發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電。此外,必須對(duì)核動(dòng)力裝置的放射性進(jìn)行嚴(yán)格防護(hù),必須確保全體艇員的安全與健康。反應(yīng)堆艙應(yīng)進(jìn)行有效密封,不允許泄漏放射性氣體,相關(guān)要求均比陸用核動(dòng)力裝置更加嚴(yán)格。此外,仍需考慮到事故發(fā)生時(shí)的臨時(shí)防護(hù)措施和緊急檢修條件。

(5)隱蔽性。為了減少被敵方發(fā)現(xiàn)的可能性,必須盡可能減小機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的噪聲,特別是減速齒輪和循環(huán)泵等設(shè)備,同時(shí)也應(yīng)盡量減弱核輻射場(chǎng)、熱輻射場(chǎng)及電磁場(chǎng)。

如上文所述,對(duì)潛艇核動(dòng)力裝置的要求較為嚴(yán)格。核動(dòng)力裝置的可靠性主要取決于制造工藝,特別是焊接質(zhì)量。重要焊縫均須經(jīng)過(guò)100%探傷檢查。由于艙室內(nèi)空間很窄小,設(shè)備和管路通常會(huì)布置得較為緊湊,使設(shè)備的安裝及焊接過(guò)程較為困難。在該施工條件下,仍需充分確保管道焊接的質(zhì)量,并盡量減小焊接應(yīng)力。

4.4 核動(dòng)力裝置應(yīng)用于潛艇領(lǐng)域的技術(shù)可行性分析

由于核潛艇具備上述優(yōu)勢(shì),再輔以先進(jìn)的通信、觀察、導(dǎo)航、空氣調(diào)節(jié)設(shè)備,導(dǎo)彈等高技術(shù)裝備,使核潛艇成為現(xiàn)代海軍中的一類主力戰(zhàn)艦。通常而言,核潛艇的排水量為3 000 t～20 000 t,個(gè)別可達(dá)26 500 t;核潛艇的水下航速多為20 kn(節(jié))～35 kn(節(jié))。目前,技術(shù)最先進(jìn)的核潛艇潛水深度可達(dá)500 m以下,續(xù)航里程可達(dá)90萬(wàn)千米以上,水下航速已超過(guò)部分大型水面艦船,可游弋在地球上各大洋及長(zhǎng)年冰封的北極地區(qū),圍繞地球航行達(dá)數(shù)十圈,且無(wú)須更換核燃料。

核潛艇經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,無(wú)論在戰(zhàn)略地位上,還是在政治、軍事、外交上,均發(fā)揮了其他武器平臺(tái)難以取代的作用,其主要分類如表2所示?，F(xiàn)代核潛艇集高新技術(shù)于一身,采用了大量的先進(jìn)技術(shù),隱蔽性好,續(xù)航里程遠(yuǎn),潛航時(shí)間長(zhǎng),水下航速高、攻擊力強(qiáng),是海軍武器裝備庫(kù)中的尖端裝備;其中,尤其是反應(yīng)堆與戰(zhàn)略核武器“兩核聯(lián)手”的戰(zhàn)略核潛艇,更是以強(qiáng)大的威懾力鞏固著一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略地位。為了把國(guó)家戰(zhàn)略核力量建立在切實(shí)可靠的基礎(chǔ)上,無(wú)論是美國(guó)、俄羅斯這樣的核大國(guó)[11-13］,還是英國(guó)、法國(guó)這樣的中等核國(guó)家,都無(wú)一例外地把戰(zhàn)略核潛艇作為國(guó)家戰(zhàn)略兵力的發(fā)展重點(diǎn)[14］,其已成為陸上、空中和水下“三位一體”戰(zhàn)略核打擊力量的中堅(jiān)。除了各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略核潛艇之外,以自導(dǎo)魚雷為武器的攻擊型核潛艇則主要用于搜索和破壞敵人的核潛艇,其具有更高的航速,以及更具優(yōu)勢(shì)的潛航深度。由于世界戰(zhàn)略核武器加快向海洋轉(zhuǎn)移,使得海軍的打擊范圍突破了海洋和海岸,而延伸到陸上縱深腹地,核潛艇也逐漸成為大洋中無(wú)所不至的武器隱形發(fā)射平臺(tái)。

就推進(jìn)方式而言,如表2中所示,世界范圍內(nèi)的核潛艇所采用的核動(dòng)力裝置目前多采用壓水堆與汽輪機(jī)的組合形式,通常由二回路蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)組驅(qū)動(dòng)螺旋槳。但部分核潛艇也會(huì)采用汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電,再通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的方案。電力推進(jìn)可充分降低齒輪傳動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲(減速齒輪是主要噪聲源之一),進(jìn)一步提升全艇的隱蔽性。

就技術(shù)可行性而言,核動(dòng)力裝置可被視為最理想的潛艇動(dòng)力來(lái)源。首先,核燃料反應(yīng)時(shí)無(wú)須氧氣參與,潛艇不再需要頻繁浮起充電,具有較好的隱蔽性;其次,核潛艇具有較強(qiáng)的續(xù)航力;再次,核潛艇具有在航率高和低噪聲等優(yōu)點(diǎn);最后,核反應(yīng)堆單堆功率高,可提升潛艇的水下航速。盡管優(yōu)勢(shì)顯著,但由于核動(dòng)力裝置技術(shù)復(fù)雜、成本高昂,因此目前尚無(wú)法完全代替常規(guī)潛艇。

5 核動(dòng)力裝置在航空母艦領(lǐng)域的應(yīng)用研究

5.1 核動(dòng)力水面艦船的技術(shù)特點(diǎn)

各國(guó)在大力發(fā)展核潛艇的同時(shí),也積極推動(dòng)核動(dòng)力水面艦船的研制[16］。目前,世界上已有10萬(wàn)噸級(jí)的核動(dòng)力航空母艦在大洋游弋。與常規(guī)動(dòng)力水面艦船相比,采用核動(dòng)力的水面艦船具有更廣的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性能和獨(dú)立的活動(dòng)能力,能長(zhǎng)時(shí)間高速航行[17］。

采用核動(dòng)力裝置的水面艦船同樣具有較高的航速和較強(qiáng)的續(xù)航力。核動(dòng)力航空母艦?zāi)艹掷m(xù)以30 kn速度航行,且無(wú)須過(guò)度擔(dān)心燃料的消耗。而采用常規(guī)動(dòng)力裝置的水面艦船的燃料消耗率較大,為實(shí)現(xiàn)充分的燃料補(bǔ)給,需要配備一支龐大的后勤艦隊(duì)。由于節(jié)省下了一部分空間,核動(dòng)力航空母艦可以攜帶更多的武器裝備,以及用于艦載機(jī)的航空燃料。相應(yīng)可減少輔助艦船的數(shù)目,并提高整個(gè)艦隊(duì)的航速。

近年來(lái),在水面艦船中得到廣泛應(yīng)用的堆型仍為壓水堆。其中,較有發(fā)展前景的是一體化壓水堆。該壓水堆將整個(gè)回路。包括堆芯、蒸汽發(fā)生器、水泵和穩(wěn)定器全布置在壓力殼內(nèi),使壓水堆的優(yōu)點(diǎn)(閉合的一回路)與沸水堆的優(yōu)點(diǎn)(緊湊的布置)結(jié)合起來(lái)。另—種具有較好發(fā)展前景的堆型為直接循環(huán)高溫氣冷堆,用堆內(nèi)出來(lái)的高溫氦氣直接驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)[18］。該反應(yīng)堆具有體積小、重量輕、熱效率高和設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

5.2 核動(dòng)力裝置應(yīng)用于航空母艦領(lǐng)域的技術(shù)可行性分析

5.2.1 總體分析及優(yōu)劣勢(shì)研究

與潛艇、巡洋艦等艦船相比,核動(dòng)力裝置在航空母艦領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較晚,并且其實(shí)際應(yīng)用效果不如前述幾類艦型顯著。如上文所述,核動(dòng)力裝置能顯著提升潛艇的作戰(zhàn)能力,真正實(shí)現(xiàn)了不依賴空氣的水下航行。而對(duì)于巡洋艦、驅(qū)逐艦等排水量等級(jí)的水面艦船而言,其受限于艦體空間,艦上能攜帶的燃油量較為有限,若能改用核動(dòng)力裝置,則能顯著提升其作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性。然而對(duì)航空母艦而言,一方面航空母艦的動(dòng)力裝置不需要在與空氣相隔絕的環(huán)境下運(yùn)作;另一方面則是航空母艦的艦體較為寬敞,內(nèi)部空間較為充足,可攜帶大量燃油,與巡洋艦及驅(qū)逐艦相比,其航程方面的問(wèn)題影響并不顯著。因此,航空母艦如需采用核動(dòng)力裝置,僅以提高續(xù)航性能來(lái)作為唯一的理由,說(shuō)服力略顯不足。

不僅如此,航空母艦無(wú)法脫離護(hù)航編隊(duì)單獨(dú)行動(dòng),考慮到巡洋艦、驅(qū)逐艦等水面護(hù)航艦船的續(xù)航能力顯著低于航空母艦,除非組成全部采用核動(dòng)力裝置的水面艦隊(duì),否則即使航空母艦本身能通過(guò)核動(dòng)力裝置獲得強(qiáng)大的續(xù)航力、但仍須遷就于續(xù)航力較短的護(hù)航艦隊(duì),并且需配合護(hù)航艦隊(duì)的補(bǔ)給周期。

通常而言,核動(dòng)力航空母艦與傳統(tǒng)動(dòng)力航空母艦間的區(qū)別,在于以核反應(yīng)堆替代鍋爐作為產(chǎn)生蒸汽的熱量來(lái)源。與燃燒重油的鍋爐相比,核動(dòng)力裝置的優(yōu)勢(shì)在于補(bǔ)充一次核燃料后,即可在數(shù)年內(nèi)幾乎無(wú)限制地為航空母艦供應(yīng)蒸汽。但該項(xiàng)優(yōu)勢(shì)對(duì)航空母艦整體作戰(zhàn)效能的提升效果,卻很難實(shí)現(xiàn)定量評(píng)估。盡管核動(dòng)力裝置可為航空母艦省下頻繁補(bǔ)給重油的麻煩,然而航空母艦最重要的補(bǔ)給需求則是來(lái)自于艦載機(jī)。艦載機(jī)使用航空燃油的消耗速率遠(yuǎn)高于常規(guī)動(dòng)力航空母艦自身主機(jī)的燃油消耗速率。在作戰(zhàn)時(shí),即使是無(wú)須補(bǔ)給主機(jī)鍋爐用油的核動(dòng)力航空母艦,也需要在數(shù)日為艦載機(jī)補(bǔ)充航空燃油與彈藥。當(dāng)航空母艦身處缺乏大型岸基后勤基地、且補(bǔ)給不易的遙遠(yuǎn)海域時(shí),航空燃料及彈藥補(bǔ)給問(wèn)題所帶來(lái)的困擾,也會(huì)更為顯著。

對(duì)航空母艦而言,采用核動(dòng)力裝置后,能去除傳統(tǒng)燃油蒸汽鍋爐所需要的煙囪等設(shè)施,并充分解決由煙囪廢氣所帶來(lái)的腐蝕問(wèn)題,且不會(huì)對(duì)艦載機(jī)的起飛或降落產(chǎn)生干擾。在省去煙囪后,不僅可大幅縮小艦島等上層結(jié)構(gòu)的體積,也免除了煙囪排煙對(duì)甲板作業(yè)的干擾。采用核動(dòng)力裝置后,可為全艦提供充足的電力與蒸汽,并且不會(huì)對(duì)航速造成干擾。隨著電子設(shè)備數(shù)量持續(xù)增加,現(xiàn)代航空母艦對(duì)電能的需求與日俱增。然而對(duì)常規(guī)動(dòng)力航空母艦而言,由于鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽同時(shí)需要滿足推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與蒸汽彈射系統(tǒng)的要求,再考慮到燃油的消耗量與蒸汽供應(yīng)量所產(chǎn)生的限制,必須對(duì)鍋爐的工作過(guò)程進(jìn)行控制,以免影響到推進(jìn)動(dòng)力或彈射動(dòng)力。

而對(duì)核動(dòng)力航空母艦來(lái)說(shuō),由于核反應(yīng)堆可持續(xù)地供應(yīng)蒸汽,因此不會(huì)影響到電能的轉(zhuǎn)換過(guò)程與高速的航行過(guò)程,可長(zhǎng)時(shí)間以30 kn以上的航速航行,并且無(wú)須考慮續(xù)航力或蒸汽彈射器等其他設(shè)備所產(chǎn)生的影響。如上文4.4中所述,隨著近年來(lái)核潛艇技術(shù)的逐步優(yōu)化,大型潛艇航行速度也有了相應(yīng)提升。與核潛艇相比,航空母艦的航速優(yōu)勢(shì)如果越大,則進(jìn)入敵方潛艇魚雷有效射程內(nèi)的概率也會(huì)相應(yīng)降低。不僅如此,航空母艦的航速如果越快,敵方偵查監(jiān)視平臺(tái)標(biāo)定航空母艦位置的難度也會(huì)相應(yīng)提升,可在一定程度上增加敵方制定導(dǎo)彈攻擊范圍的難度。

核動(dòng)力航空母艦的一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)在于可攜帶更多的液體。核燃料裝填在核反應(yīng)堆內(nèi)部,因而可將常規(guī)動(dòng)力航空母艦上用于儲(chǔ)放鍋爐燃油的艦體空間,轉(zhuǎn)用于儲(chǔ)放航空燃油,以及供其他輔助艦船使用的重油,能在一定程度上改善艦載機(jī)與隨行艦隊(duì)的續(xù)航力。不僅如此,雖然核反應(yīng)堆及相關(guān)屏蔽設(shè)施的體積尺寸比蒸汽鍋爐更為龐大,但常規(guī)動(dòng)力航空母艦必須攜載數(shù)千噸燃油才能滿足自身的航程需求。為此,將同噸位等級(jí)的核動(dòng)力航空母艦與常規(guī)動(dòng)力航空母艦相比:

(1)兩者主機(jī)與燃料的總重量總體相近。

(2)就燃料所占體積而言,由于核反應(yīng)堆與核燃料采用一體布置的型式,有效節(jié)約了儲(chǔ)存鍋爐燃油的空間,因此核動(dòng)力裝置所占用的艦體空間更小。

(3)就主機(jī)部分所占體積而言,核動(dòng)力航空母艦動(dòng)力艙段的長(zhǎng)度并不會(huì)大于傳統(tǒng)動(dòng)力航空母艦,但由于需要為核反應(yīng)堆設(shè)置多層屏蔽與防護(hù)系統(tǒng),致使其總體積較大,特別是與反應(yīng)堆貼近布置的艙室,其寬度與高度較大,通常需耗用較大的艦體空間。

盡管如此,由于核動(dòng)力航空母艦無(wú)須攜帶鍋爐用油,即使核動(dòng)力裝置多占據(jù)了一部分空間,航空燃料總攜帶量依然比常規(guī)動(dòng)力航空母艦多35%～40%。

不采用煙囪可稱得上是推動(dòng)核動(dòng)力航空母艦發(fā)展的一項(xiàng)重要原因。通過(guò)采用該方案,不僅可大幅縮小艦島等上層結(jié)構(gòu)的體積,也免除了煙囪排煙對(duì)飛行甲板作業(yè)的干擾,以及排煙對(duì)甲板上飛機(jī)的侵蝕。

5.2.2 現(xiàn)階段制約核動(dòng)力航空母艦推廣的因素

雖然核動(dòng)力裝置性能卓越,但是制約其推廣的影響因素主要在于成本。航空母艦如采用核動(dòng)力裝置作為推進(jìn)動(dòng)力來(lái)源,需要承受明顯更高的成本,還會(huì)為航空母艦的設(shè)計(jì)過(guò)程帶來(lái)許多特有的問(wèn)題。首先,考慮到核反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)時(shí)所涉及的技術(shù)難度及高昂成本,通常需要研發(fā)專用艦體,而非沿用既有艦體設(shè)計(jì)。

此外,對(duì)采用鍋爐及汽輪機(jī)的常規(guī)動(dòng)力航空母艦而言,若設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)提升全艦功率的需求,可通過(guò)選用裝機(jī)容量更高的汽輪機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),由此具備更強(qiáng)的調(diào)節(jié)彈性。而對(duì)核動(dòng)力航空母艦而言,考慮到核動(dòng)力裝置及相關(guān)配套設(shè)備的復(fù)雜性,在輸出功率等方面的調(diào)節(jié)彈性相對(duì)較弱。在常規(guī)動(dòng)力航空母艦的設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)調(diào)整鍋爐型式與汽輪機(jī)數(shù)量,即可相應(yīng)調(diào)整全艦的總推進(jìn)動(dòng)力。但對(duì)核動(dòng)力航空母艦而言,則很難實(shí)現(xiàn)此類目標(biāo)。因?yàn)槿绻藙?dòng)力航空母艦的動(dòng)力參數(shù)調(diào)整過(guò)大,通常需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6 核動(dòng)力艦船的應(yīng)用前景展望

核動(dòng)力裝置動(dòng)力性能出色、使用壽命長(zhǎng)、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離航行,因此對(duì)潛艇,以及航空母艦等大型水面艦船均有著較強(qiáng)的技術(shù)吸引力。但由于核動(dòng)力裝置尺寸及重量較大,建造費(fèi)用昂貴,并須配備一定的技術(shù)人員,因此一定程度上限制了其在艦船領(lǐng)域的大規(guī)模推廣。不僅如此,由壓水堆所制備的蒸汽參數(shù)通常低于燃油燃燒鍋爐,在功率相同的前提下,需要相應(yīng)增大蒸汽流量。因此,核動(dòng)力汽輪機(jī)的尺寸通常更大。此外,由于用于核反應(yīng)堆的耐壓安全套筒的成本較高,從而一定程度上也抵沖了核燃料消耗率較低的優(yōu)勢(shì)。

基于潛艇在第二次世界大戰(zhàn)中所取得的卓越成績(jī),戰(zhàn)后各國(guó)都開(kāi)始致力于發(fā)展?jié)撏АＥc水面艦船不同,潛艇的最大優(yōu)勢(shì)是其隱蔽性和機(jī)動(dòng)性。由于海洋總面積占地表面積70%以上,相應(yīng)為潛艇的潛航提供了有利的自然環(huán)境。自從核動(dòng)力裝置在潛艇上得以實(shí)用化之后,標(biāo)志著潛艇動(dòng)力裝置進(jìn)入了新的發(fā)展階段。核動(dòng)力裝置為潛艇的水下持續(xù)航行開(kāi)拓了廣闊的發(fā)展前景,相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域得以飛速發(fā)展。核潛艇不僅有著更強(qiáng)的隱蔽性和機(jī)動(dòng)性,而且其在水下潛航時(shí)的自持力、續(xù)航力、航速等均明顯優(yōu)于常規(guī)潛艇。與核潛艇相比,常規(guī)潛艇由于只在必要時(shí)才會(huì)潛航,通常僅被視作一類可實(shí)現(xiàn)潛航的水面艦船。核潛艇在水下有著較強(qiáng)生存能力,因?yàn)槠淠茉谒麻L(zhǎng)期潛航,要對(duì)其進(jìn)行探測(cè)及攻擊較為困難。核潛艇在戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)上的優(yōu)越性使多國(guó)海軍的戰(zhàn)略思想發(fā)生了轉(zhuǎn)變,在研發(fā)海軍裝備時(shí)將核潛艇放在優(yōu)先位置。

如上文所述,核動(dòng)力對(duì)潛艇與巡洋艦所帶來(lái)的性能提升是顯而易見(jiàn)的。核動(dòng)力裝置可使?jié)撏Ь邆浣鯚o(wú)限的水下續(xù)航力,或是讓沒(méi)有足夠艦體空間的巡洋艦擁有極長(zhǎng)的航程。但航空母艦本身即已具備可攜帶充足燃料的空間,延長(zhǎng)航程本身并不足以成為航空母艦引進(jìn)核動(dòng)力裝置的唯一理由。

此外,由于航空母艦無(wú)法脫離護(hù)航艦船的保護(hù)而實(shí)現(xiàn)單獨(dú)行動(dòng),因此即使航空母艦自身采用核動(dòng)力裝置,其航行狀況依然會(huì)受需要定期進(jìn)行燃料補(bǔ)給的護(hù)航艦隊(duì)影響——整個(gè)航空母艦所在艦隊(duì)的補(bǔ)給周期是由艦隊(duì)中續(xù)航性能最短的艦船所決定。由于核動(dòng)力航空母艦無(wú)法完全脫離其他護(hù)航艦艇,并憑借自身的續(xù)航力直接開(kāi)赴戰(zhàn)區(qū)。因此,在為航空母艦選用核動(dòng)力裝置的進(jìn)程中,減少海上補(bǔ)給頻率僅為主要理由之一。

就所攜帶燃料的重量和體積而言,核動(dòng)力航空母艦明顯優(yōu)于常規(guī)動(dòng)力航空母艦。但由于艦船航行時(shí)所需的功率較為有限,因此艦船采用核動(dòng)力裝置后,其經(jīng)濟(jì)性通常較低。另外,核動(dòng)力裝置的安全性也會(huì)受到航行條件和作戰(zhàn)環(huán)境的影響,難以得到絕對(duì)保證。

考慮到技術(shù)及經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題,除了美國(guó)和法國(guó)等國(guó)之外,英國(guó)等國(guó)的航空母艦多采用以汽輪機(jī)為主機(jī)的常規(guī)動(dòng)力裝置[19］。除了成本昂貴,核動(dòng)力艦船沉沒(méi)或拆毀所造成的核泄漏的問(wèn)題通常也較難解決,同樣也限制了其大規(guī)模推廣。但考慮到其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì),隨著世界能源狀況的演變、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,以及核燃料成本的降低,核動(dòng)力裝置將會(huì)在大型艦船上得到更廣泛的應(yīng)用。

7 結(jié)論

核能事業(yè)的蓬勃發(fā)展,為船舶動(dòng)力工程開(kāi)辟了全新的發(fā)展道路,利用核能產(chǎn)生動(dòng)力以推動(dòng)船舶已具備一定的可行性。目前,核潛艇已在各國(guó)得到了充分發(fā)展;而核動(dòng)力航母的問(wèn)世使航空母艦的發(fā)展進(jìn)入新的跨越式時(shí)代,由此成為制海權(quán)的重要基礎(chǔ)。