海洋核動力技術主要涉及潛艇、艦船、浮動式核電站等。對于潛艇核動力技術，當前核潛艇用反應堆幾乎都是采用成熟度最高的壓水堆；而常規(guī)潛艇上可增設小堆AIP系統(tǒng)。艦船用核反應堆與潛艇用反應堆類似，也多采用壓水堆。本文將對壓水堆技術、小堆AIP技術及海洋核反應堆的裝備情況進行概述。

1. 壓水堆技術原理

壓水堆全稱“加壓水慢化冷卻反應堆”，是核潛艇中應用數(shù)量最多、容量最大、成熟度最高的堆型。艦船和潛艇用壓水堆通常使用UO2作燃料。裂變中子經(jīng)水慢化后成為熱中子，裂變反應所釋放的熱量則由冷卻水導出堆芯。現(xiàn)有壓水堆的熱工參數(shù)不是很高，但其堆芯結構緊湊、體積小、技術成熟、建造周期較短、安全性好，且已實現(xiàn)標準化和系列化，已成為核潛艇、核航母的主要堆型。

2. 壓水堆布置方式

國外核潛艇、核航母的壓水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三類。分散布置反應堆在核潛艇中占74%；半一體化布置反應堆約18%；一體化布置反應堆占8%。

分散布置：將反應堆、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器和主循環(huán)泵等設備分散布置在反應堆艙內。國外海軍一般采用緊湊分散布置方式，以減輕反應堆上艇壓力。

半一體化布置：相比分散布置方式，半一體化布置反應堆取消了閥門，將蒸汽發(fā)生器、主泵與核反應堆壓力容器以超短管連接，形成半一體化布置核反應堆。

一體化布置：將堆芯、蒸汽發(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。這種布置方式完全取消了冷卻劑系統(tǒng)中的管道連接。

小堆AIP技術是在常規(guī)潛艇上增設的一套小型化核動力裝置，提供水下航行動力，構成柴電與小堆核電組合的動力系統(tǒng)，即小堆AIP系統(tǒng)。

1. 小堆AIP的系統(tǒng)配置

小堆AIP系統(tǒng)采用結構緊湊、模塊化、低溫低壓、自動化程度高、堆芯壽命長和經(jīng)濟性好的堆型，目前，適用于常規(guī)潛艇的小堆AIP系統(tǒng)的堆型有小型一體化壓水堆、脈沖堆和高溫氣冷堆等。其換料和在役檢查設備與反應堆結構相適應，并采用包括非能動安全殼冷卻、堆芯非能動淹沒和余熱排出等功能的非能動安全系統(tǒng)，反應堆固有安全性好。

圖 1小堆AIP系統(tǒng)應用于潛艇的基本配置框圖

2. 小堆AIP技術的應用

有研究對比發(fā)現(xiàn)，在相同有效載荷下，常規(guī)燃料AIP潛艇的尺寸和成本比核潛艇小，小堆核動力組合動力系統(tǒng)潛艇最小。潛艇的核動力裝置小型化已有階段性的突破，柴電與小堆核電組合動力潛艇的造價和技術復雜性也將大大低于核潛艇。可以預見，小堆AIP技術一旦裝備潛艇，將使現(xiàn)代常規(guī)潛艇的攻防作戰(zhàn)能力大幅提升，隨著小堆AIP技術的完善，其應用前景將更為廣闊。

1. 核動力潛艇壓水堆裝備情況

S6G反應堆：洛杉磯級攻擊核潛艇裝備了1臺S6G壓水堆。S6G型壓水堆使用的是長壽命堆芯，工作壽命長達12年，續(xù)航力達40萬海里左右。

S8G反應堆：俄亥俄級核潛艇裝備S8G反應堆，能夠在沒有反應堆冷卻劑泵的情況下以相當大的全功率運行，堆芯熱功率312MW，軸功率60000馬力。

S9G反應堆：是為弗吉尼亞SSN-774級潛艇設計，可連續(xù)運行33年而無需更換核燃料。產(chǎn)生熱功率200MW，軸功率約30 MW，鈾濃度95%。

OK-650反應堆：北風之神級戰(zhàn)略核潛艇主動力裝置為1座OK-650型壓水堆和1座單軸汽輪機。OK-650型壓水堆也是臺風級的主動力裝置，最大功率為380MW，汽輪機的最大輸出功率為74570KW，最大水下航速達到29節(jié)。

VM-5反應堆：奧斯卡級巡航導彈核潛艇采用兩套核動力裝置互為備用，反應堆為兩座VM-5緊湊布置壓水堆，每座反應堆熱功率190~200MW，可提供軸功率73.5MW，堆芯壽命12年以上，可連續(xù)航行30萬海里。

VM/KTP-6反應堆：亞森級攻擊核潛艇的動力系統(tǒng)采用了最新研制的新一代VM/KTP-6型一體化壓水反應堆，熱功率195MW，可提供軸功率50000馬力。該反應堆的核燃料更換周期長達25至30年，幾乎與艇體壽命相同。

PWR-2反應堆：前衛(wèi)級核潛艇的動力裝置包括一臺PWR-2型壓水堆，采用G型堆芯，熱功率140MW，可提供軸功率25.73MW。前衛(wèi)級的PWR-2的燃料棒使用壽命約25年，而機敏級的燃料棒濃度更高，可使用30年左右。

CAS 48反應堆：紅寶石級攻擊核潛艇的動力核心是CAS 48一次回路壓水式反應器，冷卻系統(tǒng)采用自然對流循環(huán)而不使用加壓泵以減低噪音，熱功率48MW，自然循環(huán)能力30%，鈾濃度7%～20%，軸功率9500馬力。

K15反應堆：凱旋級采用了與法國戴高樂號航空母艦一樣的K-15一體化自然循環(huán)壓水堆裝置，是紅寶石級攻擊核潛艇采用的CA-S48一體化壓水堆的放大型；K-15型壓水堆熱功率150MW，可提供軸功率約30.5MW，鈾濃度7%～20%，堆芯壽命約10年，自然循環(huán)能力高達49%。

2. 核動力艦船壓水堆裝備情況

A2W反應堆：企業(yè)號航母采用八個熱功率170MW的A2W反應堆，總熱功率1360MW，由四臺蒸汽輪機帶動四個螺旋槳推動船體，總軸功率280000馬力。

A4W反應堆：Nimitz級前四艘航母使用兩個A4W反應堆，每個反應堆熱功率550 MWt，每個機組供應140000軸馬力，堆芯壽命25年。

A1G反應堆：A1G反應堆是A1W的后繼型號，尼米茲級航母從第五艘開始使用該型反應堆，其基本構型與A1W類似只是增加了堆芯的使用壽命，燃料棒鈾濃度97.3%。

A1B反應堆：A1B反應堆裝備在福特級航母，與Nimitz級相比，A1B反應堆及其相關的推進裝置將需要的人員減少50％。與傳統(tǒng)的A4W反應堆相比，新型A1B反應堆的能量輸出也高出25％。以此計算A1B的總熱功率輸出將約為700 MW，可產(chǎn)生125MW的電力，和260 MW軸功率。

RITM-200/400反應堆：RITM-200是俄羅斯破冰船用核動力反應堆，堆芯功率175MW，一體化設計，裝在LK-60破冰船上，其后繼型號RITM-400堆芯功率315MW，裝備在俄羅斯新型破冰船和在研暴風級核動力航母上。

3. “波塞冬”魚雷核動力系統(tǒng)

“波塞冬”是俄羅斯最新研制的核動力魚雷，航程達上萬公里，可攜帶常規(guī)彈頭和核彈頭。“波塞冬”反應堆的特性可以根據(jù)使用高濃縮鈾-235氮化物和液相鉛鉍合金作為第一反應器冷卻劑的研究反應堆的公開數(shù)據(jù)來估算，其熱功率30MW，電功率10MW，箱體直徑/高度53厘米，重量361千克，燃料重量160千克。

4. 海上浮動式核電站

海上浮動式核電站采用成熟小型堆技術，具有高效、經(jīng)濟性等優(yōu)點。美國軍方曾建造世界上第一艘浮動式核電站“斯特吉斯”號駁船，搭載了電功率10的MH-1A反應堆，于1968～1975年為巴拿馬運河地區(qū)的軍事基地提供電力。2014年，美國麻省理工學院的研究團隊提出了一種新的浮動式核電站(OFNP)概念：采用現(xiàn)有的勘探開采石油天然氣的海上平臺技術，將核電站置于距離海岸8～11km的海域，平臺上搭載電功率200MW的小型模塊化反應堆，通過海底電纜實現(xiàn)從核電站到海岸之間的電力傳輸。

圖 2 美國OFNP剖面圖

俄羅斯的浮動式核電站基于大型船體。現(xiàn)已建造竣工的第一座浮動式核電站“羅蒙諾索夫”號于2007年4月在圣彼得堡開工建設，于2013年10月完成配套反應堆安裝；船上裝配了兩套KLT-40S型核反應堆，每套電功率35MW。“羅蒙諾索夫”號在波羅的海造船廠進行測試，其核電機組于2017年上半年啟動，該浮動式核電站將在俄楚科奇自治區(qū)投入運行，為佩韋克提供電力。

圖 3 俄羅斯圖KLT-40S浮動式核電站單個機組示意圖

(本報告摘編自北京太陽谷咨詢有限公司《國外核動力技術發(fā)展及應用調研報告》)

科技信息中心  任正平整理

文章來源：最新科技進展 

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