1、船舶核動力裝置核工程一班200820201111核動力裝置以原子核的裂變所產生的巨大能量通過工質（蒸汽或燃氣）推動汽輪 機或燃氣輪機工作的一種裝置。其工作原理是：核燃料裂變釋放出的熱量，由流 經堆芯的冷卻劑（即100多個大氣壓的壓力水）帶出堆外，送進一回路系統。一回 路系統，包括主系統和若干個輔助系統，可將反應堆核燃料裂變釋放出的熱能傳 給二回路給水使之產生高壓蒸汽。主系統由穩壓器、蒸汽發生器、冷卻劑泵和主 管道構成，并與反應堆壓力容器連接構成密閉回路。反應堆冷卻劑是一回路的壓 力水，由冷卻劑泵將其打入壓水反應堆,在堆芯吸收核燃料裂變釋放出的熱量后， 流出堆外進入蒸汽發生器，通過蒸汽發生器傳熱

2、管的管壁面，把熱量傳給蒸汽發 生器中二回路給水，并使之變成蒸汽。放掉熱量后的低溫冷卻劑，從蒸汽發生器 出來后，在冷卻劑泵的驅動下，再次被打入壓水反應堆，再吸收堆芯熱量后，再 出堆，如此循環往復運轉。輔助系統用于保障反應堆和主系統的正常運行。一回 路系統帶有強放射性，設備布置按放射性強弱進行分區，以利操作和監測，并有 堅厚的屏蔽設施。二回路系統，主要由汽輪機、冷凝器、給水泵和管道以及若干 輔助系統構成。其功用是將蒸汽的熱能轉換為汽輪機轉動的機械能或電能。二回 路的給水在一回路的蒸汽發生器中吸收一回路冷卻劑從堆芯帶出的熱量，變成蒸 汽，通過主蒸汽管，進入汽輪機，推動葉輪作功；排出的蒸汽進入主冷凝器

3、冷凝 成水后，經給水泵再送到蒸汽發生器變成蒸汽，進入汽輪機，如此循環，使汽輪 機持續工作。汽輪機組的機械能，或汽輪機發電機組的電能轉換的機械能，經傳 動裝置、軸系，傳遞給螺旋槳，以推動艦艇前進。國外概況自1954年第一艘核動力潛艇問世以來.核動力裝置技術獲得了迅 猛的發展。目前，除核潛艇外，現役的核動力艦艇還有巡洋艦、驅逐艦和航空母 艦，這些核動力艦艇主要集中在美國和俄羅斯。一、艦艇核動力裝置的優點1、核動力裝置使核潛艇能在水下長期連續航行。核動力裝置以核能為能源，核裂變時不需要空氣，因此核潛艇能在水下長期連續 航行，其隱蔽性遠遠超過常規動力潛艇。2、續航力不受限制。核反應堆一次裝料，可運行幾

4、年甚至幾十年，如美國正在建造的弗吉尼亞級潛 艇上使用的S9G反應堆，其壽命可達33年。從而使核潛艇具有無限的續航力。3、大功率。現在已運行的艦艇動力反應堆，單堆功率在30300兆瓦（MW）之間，有的核動 力艦艇（如航空母艦）裝有多個反應堆，強大的動力使得這些龐然大物能以2050 節的高航速航行。二、國外艦艇核動力裝置的應用概況目前，國外有美國、俄羅斯、英國和法國擁有了核動力潛艇，美國和法國擁有核 動力航母，美國和俄羅斯擁有核動力巡洋艦。1、美國核動力裝置的情況美國的艦艇核動力，基本上是在西屋公司和通用電氣公司兩大企業之間的競爭中 發展的。西屋公司設計和建造的是SW系列，包括一座陸上模式堆S1W

5、，及S2W、 S3W、S4W、S5W、S5Wa、S5W-II、S6W等裝艇堆。通用電氣公司設計和建造的是 SG系列，包括S1G、S3G （雙堆）、S5G、S7G、S8G六座陸上模式堆和S2G、S4G、 S5G、S6G、S8G、S9G等裝艇堆。由燃燒公司設計和建造的是SC系列，只建造了 一座陸上模式堆S1C和一座裝艇堆S2C。所有反應堆中，除S1G和S2G以外，都 是壓水堆。美國艦艇核反應堆，無論是SW系列還是SG系列都采用板狀燃料元 件。2、俄羅斯/前蘇聯艦艇核反應堆的發展。俄羅斯/前蘇聯艦艇核反應堆的發展按時間大致可分為四代。第一代為50年代至60年代中期，研制船用壓水堆核動力裝置，建造了

6、BM-A型 陸上模式堆，反應堆為雙流程，熱功率為75MW，軸功率1.75萬馬力，采用盤管 式管外直流蒸汽發生器，主要裝備于H級和E- I級彈道導彈核潛艇、E-II級飛 航導彈核潛艇、N級攻擊型核潛艇。同時研制的液態金屬冷卻劑（鉛-鉍合金） 快中子反應堆也建造了 PM-1型陸上模式堆，熱功率為74MW，軸功率為1.75萬 馬力，裝備于阿爾法級攻擊型核潛艇。第一代核動力裝置的壓水堆和液態金屬冷卻堆分別建造了陸上模式堆。第二代核動力裝置為60年代至70年代末研制，為緊湊式分散布置，熱功率為 177MW，軸功率4萬馬力，反應堆改為單流程，簡化了堆內結構，采用了螺旋管 式管內直流蒸汽發生器。主要裝備于Y

7、級和D級彈道導彈核潛艇、C級飛航導彈 核潛艇、V級攻擊型核潛艇。第三代核動力裝置為80年代初至90年代末期研制，是第二代的改進完善，初步 實現了通用化、模塊化設計，增加了可靠性和可維修性。反應堆仍為緊湊布置， 熱功率為177190MW，軸功率為44.5萬馬力，采用了列管式直流蒸汽發生器。 主要裝備于臺風級彈道導彈核潛艇、奧斯卡級飛航導彈核潛艇、S級和阿庫拉” 級攻擊型核潛艇。在此期間，前蘇聯還研制了水面艦艇用的壓水堆，功率為300MW，裝備于基洛 夫級核動力巡洋艦上。90年代至下世紀初研制、建造的北德文斯克級攻擊型核潛艇上使用的反應堆 仍為緊湊布置壓水堆，采用了直管式高效直流蒸汽發生器。是第四

8、代反應堆，結 構與第三代基本相同，但安靜性有了飛躍性改進。總的來說前蘇聯的艦用核反應堆基本上都采用了壓水堆。根據裝艇技術要求不 同，裝置稍有差異。3、英國艦艇核動力裝置的發展英國于1958年在購買的美國S5W潛艇壓水堆的基礎上，設計建造了陸上模式堆 PWR-1 o通過PWR-1模式堆，成功地研制了 A、B、ZM種型號的堆芯，分別裝備 于勇士級、快速級和特拉法爾加級攻擊型核潛艇和決心級彈道導彈核潛 艇。1987年，英國建成第二代潛艇動力堆PWR-2的陸上模式堆STF-2并投入運行， 研制成功了 G型堆芯，已裝備前衛級彈道導彈核潛艇。4、法國艦艇核動力的發展法國1960年開始建造PAT陸上模式堆。

9、PAT型分散布置壓水堆通過蒸汽透平、 減速齒輪帶動螺旋槳，軸功率為1.6萬馬力。新研制的K-15型自然循環一體化 壓水堆，單堆功率為150MW，軸功率為4. 1萬馬力。該堆已裝備”凱旋級彈道導 彈核潛艇和戴高樂號核動力航母。1971年開始建造攻擊型核潛艇上使用的CAP型陸上模式堆，燃料元件采用棒狀。 1983年開始服役的紅寶石級攻擊型核潛艇裝備了 CAS-48 一體化壓水堆，熱功 率為48MW，軸功率為9500馬力，燃料元件采用板狀。三、核動力裝置技術的發展趨勢1、提高核安全可靠性。提高核反應堆的安全性是各國發展的重點，主要有以下 幾個方面：（1）提高反應堆的固有安全性。（2）提高反應堆的自然

10、循環能力。目標是在額定功率下，可在全船斷電、冷卻 劑斷流等情況下，保證堆芯的安全，并可在停堆后依靠自然循環導出堆芯余熱。（3）應用非能動安全系統，徹底解決安全系統只能依靠艇上電力才能投入使用 的問題，使核動力裝置在各種事故條件下，不需人為操作，能自動保證反應堆的 安全。（4）提高反應堆的自動控制水平，減少誤操作。2、增長堆芯壽命反應堆一次裝料所使用的時間稱為堆芯壽命。核潛艇反應堆采用長壽命堆芯可以減少艇的換料次數，提高潛艇的在航率，從而 提高戰斗力。減少更換核燃料的次數，還可以減少放射性廢物的排出量，減少對 艇殼進行大切口的次數，提高核燃料利用率等。長壽命堆芯的關鍵是設計長壽命燃料元件，研制耐

11、腐蝕、耐輻照材料。國外潛艇 普遍采用高濃鈾、錯包殼、片狀和板狀元件；燃料元件采用稠密柵布置；精心設 計元件結構等措施。美國研制的S9G反應堆的壽命已達33年。3、提高自然循環能力。現代艦艇反應堆裝置不斷提高自然循環能力，利用冷卻劑在一回路中的溫升而造 成的密度差作為動力進行循環，而不是使用循環泵作動力進行強制循環。自然循環壓水堆裝置分為兩類，一是分散布置自然循環壓水堆，如美國的S5G、 S6G、S8G等；二是一體化自然循環壓水堆，如法國的CAP和K-15。自然循環壓水堆有如下優點：（1）提高反應堆的固有安全性。在反應堆裝置一回路中實現自然循環，在不啟 動主循環泵的情況下，反應堆仍可發出相當功率

12、，可使潛艇在低速、低噪聲的工 況下航行，增強了核潛艇的隱蔽性。核潛艇在中低速工況下采用自然循環，在高 速、滿功率時使用循環泵，這樣，即使發生主循環泵故障、失水事故和斷電事故， 一回路中的冷卻劑仍能帶走剩余熱量。因此能保證事故情況下反應堆的安全，避 免堆芯融化。由于冷卻劑是被動地靠流體的密度差進行循環，因此不存在誤操作 問題。（2）降低噪聲。不開動主循環泵，從而消除了潛艇一大噪聲源，提高了潛艇的 安靜性。（3）簡化系統和設備。核潛艇采用自然循環壓水堆裝置降低了反應堆的運行及 安全系統對主循環泵供電可靠性要求的依賴程度，可以簡化電網供電、節省電能， 提高機械和電氣設備的可靠性。提高自然循環能力的主

13、要措施：（1）蒸汽發生器的安裝位置相對于反應堆中心位置應盡量高。（2）減小一回路及其相應設備的流動阻力。盡量縮短冷卻劑在反應堆及蒸汽發 生器中的流經路程，簡化其內部結構，減少管道彎頭數量及其長度，改進逆止閥。 一體化壓水堆裝置取消了連接反應堆和蒸汽發生器的管道，顯然對降低阻力有 利。而分散式壓水堆裝置，將反應堆、蒸汽發生器、穩壓器和主循環泵緊湊布置， 采用短管連接，因而流程短，流動阻力也小。（3）強化蒸汽發生器的換熱特性。在不增加一次側流阻的條件下減少熱阻。（4）改進反應堆結構。采用單流程堆芯，可簡化堆內結構，流動阻力較小，冷 卻劑流量大，有利于增大自然循環能力。4、減振降噪核潛艇的輻射噪聲主

14、要包括機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。從核動力裝置 本身降低噪聲，主要是降低機械噪聲。主要措施有：（1）采用自然循環壓水堆。（2）采用活筏式整體減振裝置。（3）采用合理的隔聲減振和吸聲結構。（4）降低管路產生的噪聲。（5）降低齒輪噪聲。5、二回路采用雙機單缸。雙機單缸是指二回路系統推進主汽輪機由兩臺獨立的單缸汽輪機并聯所組成，配 有兩臺主冷凝器等輔助設備，兩臺汽輪機可并聯運行，也可單獨運行，簡稱為雙 機方案。二回路采用雙機方案的優點是：（1）提高二回路系統的生命力。兩臺汽輪機并聯或獨立運行，一臺出現故障時， 系統仍能運轉。（2）簡化二回路系統、設備。雙機方案中配有兩臺主冷凝器，在設計上可以將 兩臺發電汽輪機的排汽分別排入兩臺主冷凝器內，可取消單