舰艇核动力技术大趋势

美国尼米兹级核动力航母.

　　自燃煤蒸汽动力装置问世以来，为提高舰船续航力、航速、机动能力和隐蔽性等，世界各国一直不断探索和应用各种新型动力技术。当1939年能够持续释放大量能量而不依赖于氧气反应的原子核裂变现象被发现后，美国遂开展了舰船核动力可行性研究，并率先提出了以加压水作为慢化剂与冷却剂的压水堆概念，建造了世界上第一座陆上模式堆S1W和第一艘核动力舰船——“鹦鹉螺”号核潜艇，开辟了舰船动力技术发展新纪元。

　　舰船核动力是将核裂变反应产生的热能转换成机械能与电能，为舰船提供动力的总称，主要由反应堆及一回路、二回路及轴系、综合控制、电力和辐射防护等系统组成，按布置形式可分为分散型布置、紧凑型布置和一体化型布置，按堆型可分为压水反应堆和液态金属冷却反应堆。目前，各国主要采用压水堆，其工作原理为：一回路水将反应堆核裂变产生的热量带出，通过蒸汽发生器将热量传递给二回路水，使之转化为蒸汽，推动汽轮机发电或直接驱动螺旋桨。

　　与常规动力相比，核动力所具有的核燃料能量密度极高、持续高功率输出能量、不依赖氧气和舰用燃油运行等特点，对提高舰船自持力、续航力、机动性、隐蔽性等综合作战能力具有更加明显的优势。但舰船核动力也具有结构复杂、高新技术密集、安全可靠性要求高，且涉及核与辐射安全，研制周期长、资金投入大等特点。

　　国外舰船核动力技术现状

　　截至2009年12月，美、俄、法、英等大国共建造了核潜艇487艘、核航母12艘、核巡洋舰13艘。其中，退役核潜艇357艘、核巡洋舰9艘；在役核潜艇130艘、核航母12艘、核巡洋舰4艘；在建核潜艇15艘、核航母1艘，舰船核动力技术得到了长足发展和重大进步。

　　美国舰船核动力技术现状

　　美国是舰船核动力发展最早、技术最先进、应用最广的国家，装备实力、研发能力和技术水平始终处于世界领先地位，共建造了9座陆上模式堆，发展了18个舰船核动力型号。美国舰船核动力研究先于舰船平台，通过多堆型探索，选定分散布置压水堆；施行潜艇、航母、巡洋舰核动力三个系列型号独立发展，技术共享，形成核动力型谱；重视基础研究和陆上充分试验，通过持续改进，不断提高安全可靠性、自然循环能力、堆芯寿期、自动化程度等。

　　在潜艇核动力方面，平均5～6年研制一型，全部采用压水堆，形成1.5到6万马力等多个功率档次的型谱，堆芯寿期由66个满功率天发展到500个满功率天，实现了潜艇30年全寿期不换料，自然循环能力逐步提高到30％额定功率，布置形式由分散向紧凑演变，但未采用一体化。美国“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇各舱布置如图4所示。

　　在水面舰船核动力方面，单堆轴功率由3.5万马力逐步提高到14万马力，航母核动力反应堆从8个减少到2个，运行控制大为简化，综合性能有了很大提升。总之，美国舰船核动力已有5500多堆年的运行史，安全性、可靠性、可维修性、自动化水平、模块化和系统简化程度及堆芯寿期等主要技术指标都达到较高水平。

　　目前美国正在研制功率更大、系统更为简化、安全可靠性更高的A1B新型航母核动力；启动了下一代核潜艇反应堆（TTC）研究工作，主要延长堆芯寿期、提高功率密度、降低成本。

　　前苏联/俄罗斯舰船核动力技术现状

　　前苏联/俄罗斯舰船核动力虽然起步晚，但发展速度很快，并有其独特的技术路线，共建造5座陆上模式堆，发展20个舰船核动力型号。俄罗斯舰船核动力型号施行单独发展，通过多种堆型长时间探索，选定压水堆，重点围绕减小体积重量、降低振动噪声、提高自动化程度等方面进行技术改进。

　　在潜艇核动力方面，历经四代发展了10个压水堆型号和3个金属堆型号，轴功率从1.75万马力发展到4.9万马力，布置形式由分散向紧凑、一体化发展（舰船核动力布置型式如图6所示），逐步实现了通用化、模块化设计，自然循环能力和安静性不断提高。在水面舰船核动力方面，发展了7个型号，均为压水堆，先后装备破冰船、货船和巡洋舰等；典型的是KN-3型核动力，堆功率300MW，轴功率7万马力，“基洛夫”级巡洋舰装备了2座。1990至今，开展第四代ТМ-4型紧凑布置压水堆技术研发，其性能指标与第三代基本相同，但安静性大幅改进；目前，正在计划研制核动力航母。

　　法国舰船核动力技术现状

　　法国是依靠自身技术力量研发舰船核动力，共建造3座陆上模式堆，发展三代3个舰船核动力型号。法国舰船核动力选定压水堆，重点发展一体化反应堆，提高自然循环能力；坚持发展多用途、通用型核动力，航母与潜艇共用一型核动力。反应堆布置形式从分散布置发展到一体化，核动力轴功率有0.95、1.6、4.1万马力功率档次，自然循环能力达到50％额定功率。其中，第三代K-15型一体化压水堆（堆功率150MW，轴功率4.1万马力）分别装备于“凯旋”级战略核潜艇和“戴高乐”号核动力航母。

　　英国舰船核动力技术现状

　　英国舰船核动力是在引进美国反应堆技术的基础上，而发展起来的，共建造2座陆上模式堆，开发了5种堆芯，研制了两代潜艇核动力。英国舰船核动力充分利用模式堆发展多型堆芯，逐步提高堆芯寿期和性能，核动力技术稳步推进。舰船核动力轴功率从2.5万发展到3.5万马力，反应堆堆芯换料周期不断提高，从7年延长到25年。其中，第二代PWR-2型压水堆（堆功率约90兆瓦，有资料显示为140兆瓦），分别装备于“前卫”级、“机敏”级共5艘核潜艇。同时，英国还开展了大量一体化压水堆研究工作，但最终反应堆仍采用分散布置。

　　国外舰船核动力技术发展趋势

　　从国外舰船核动力发展情况以及未来舰船装备发展趋势来看，舰船核动力技术逐步向长寿期、高自然循环能力、高功率密度、高自动化水平、低振动噪声方向发展，装置安全可靠性不断提高。主要趋势有：

　　一是压水堆仍为主流堆型，反应堆功率不断提高。迄今为止，国外装备的舰船核动力反应堆有约98.4%为压水堆，由于压水堆具有结构紧凑、安全可靠相对较高等特点，且各国积累了丰富的设计、建造和运行使用经验，其未来仍是舰船核动力主流堆型，同时单堆功率也将逐步提高。

　　二是延长反应堆堆芯寿期，实现全寿期不换料。通过优化反应堆物理设计，采用高性能燃料元件，来延长堆芯寿期，实现全寿期不换料，从而降低舰船核动力使用保障工作量和全寿期费用。

　　三是提高反应堆自然循环能力和安全可靠性。通过优化堆舱相关系统设备设计与布置，减少系统流动阻力，提高自然循环能力；同时增强系统设备可靠性和采取非能动安全技术等，以保证舰船核动力运行安全。

　　四是不断降低舰船核动力体积重量，提高功率密度。通过采用紧凑式或一体化布置反应堆，以及集成组合式或整体组合式二回路，实施模块化设计建造，简化系统设备，减小体积重量，来提高功率密度。

　　五是采用多种减振降噪措施，提高舰船核动力隐身性能。通过提高自然循环能力，覆盖常用工况功率需求，研制低噪声设备，设置低噪声运行工况，综合运用多种声学控制技术，不断降低舰船核动力振动噪声。

　　六是提高自动化控制水平，便操纵使用。通过系统设备集成优化，采用数字化综合控制和运行支持技术，减少操纵使用人员，提高自动化控制水平，使舰船核动力操纵使用更加简便。

　　舰船核动力技术发展规律和启示

　　综合分析美、俄、法、英等国舰船核动力发展现状，结合舰船核动力技术特点及发展趋势，剖析舰船核动力发展规律和启示有：

　　（1）加强集中管理是实现舰船核动力协调发展的有效途径。舰船核动力技术深奥复杂，工作环节错综繁琐，研制周期长，技术保障难度大；若采用分散管理模式，存在协调复杂、决策困难、发展一致性差等问题。根据美国舰船核动力全寿期集中统一管理经验，实行集中核动力管理，制定一套系统、完善、科学的舰船核动力全寿期管理运行体制和机制，是实现舰船核动力协调发展的有效途径。

　　（2）实行单独立项是促进舰船核动力持续发展的必要条件。舰船核动力是一个复杂的技术密集型装备，需要更多的工程技术开发和持续的科学研究来推动其不断发展，才能适应舰船型号装备不断提升的需求。遵循核动力发展的客观规律，考虑到研制周期长、经费投入大的特点，需将舰船核动力列为战略专项计划先行安排，以推动核动力技术持续发展。

　　（3）注重基础研究是推动舰船核动力创新发展的根本保障。核动力技术专项研究以反应堆技术为龙头，牵引核安全、辐射防护、二回路等其它技术协调发展，促进舰船核动力技术水平、研发能力和整体装备实力的提升，不断满足装备发展的需求。注重反应堆物理、热工水力、辐射防护等基础性技术研究，是推动舰船核动力创新发展的根本保障。

压水堆三维效果图

舰船核动力工作原理

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美国海军CVN-71罗斯福号航母