核动力舰船堆芯应急冷却供电系统分析

薛 伟，葛 宋，马晓晨

(1.中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150036;2.中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100192)

0 引言

核动力推进相比于蒸汽动力、柴油机、燃气轮机等舰船动力装置具有能量密度高、续航能力强、功率大、不依赖氧气等优点。自1954年第1艘核潜艇下水至今，世界上先后已有近10个国家建造了470多艘采用核动力推进的各类舰船［1］。核动力推进在船舶动力系统中已发挥着不可替代的作用。

舰艇核动力装置主要由反应堆、一回路反应堆冷却系统、二回路主汽轮机、传动装置、推进轴等组成。与常规动力装置不同的是，由于核反应的特点，反应堆在运行过程中停堆后功率不会立即下降到0，由于缓发中子引起的裂变、裂变产物的衰变而使堆芯仍有很大的热功率，这部分余热如不及时排除，将会使堆芯存在熔化的可能。船舶核动力装置运行过程中的潜在危险性很大一方面来源于此。必须配备专门的堆芯应急冷却系统，保证事故停堆后堆芯余热能及时排出。堆芯应急冷却系统的工作需要为水泵等装置提供持续、高质量的电源，为此需要设计可靠的应急供电系统。

由于运行环境和使用条件的特殊性，舰艇核动力装置对于安全性和可靠性提出了很高的要求［2］。堆芯应急冷却供电系统的设计是核动力舰船安全性的关键之一。本文分析2种典型核动力舰船——俄罗斯“北极”号核动力破冰船和法国“戴高乐”核动力航母的堆芯冷却应急供电系统的特点;通过美国核动力航母上应急电源原动机及电池的配置情况，初步探讨美国核动力航母堆芯应急冷却供电的特点。在此基础上，总结核动力舰船堆芯应急冷却供电系统的设计原则。

1 俄罗斯“北极”号破冰船堆芯应急冷却供电系统

俄罗斯“北极”号核动力破冰船于1975年4月投入使用，排水量23000 t，装备2座OK－900型反应堆，单堆热功率171 MW。“北极”号破冰船电力系统示意图如图1所示。

“北极”号破冰船上设有首电站和尾电站，首电站主要包括辅汽轮发电机1、2及主配电柜;尾电站包括辅汽轮发电机3、4、5、备用柴油发电机和主配电柜2。发电机和主配电柜分别布置在不同的舱室中，每台辅汽轮发电机的功率为2 MW，备用柴油发电机功率为1 MW。船上还设有2台岸电柜，用于无船上电源时给船上供电。备用电源由应急柴油发电机和蓄电池组组成，蓄电池组配备直流－交流电力转换装置。应急柴油发电机由2台功率为2 MW的应急柴油发电机和分组 (应急)配电柜组成。

图1 “北极”号破冰船电力系统示意图Fig.1 The electric system of the Arktita nuclear powered icebreaker

堆芯应急冷却供电系统的电力取自全舰应急供电系统，是全舰应急供电系统的一个组成部分。为了满足核安全设计要求，“北极”号破冰船上设置2个核动力装置专用配电柜，为包括堆芯应急冷却系统在内的核动力装置提供持续电源。每个核动力装置专用配电柜可从2个无关联的主配电柜和1个分组 (应急)配电柜上获得电能，确保单独一路失电的情况下仍能保证核动力装置的供电安全。“北极”号破冰船通过如下供电组合，使核动力装置启动、停止和工作时都有2路无关的电源供电:岸电配电柜+辅汽轮发电机，辅汽轮发电机+应急柴油发电机，应急柴油发电机+蓄电池组。

核动力船舶对供电系统的可靠性及不间断性要求要远高于一般常规动力舰船，“北极”号破冰船上应急供电系统的设置充分体现了对安全性的重视。

2 法国“戴高乐”号核动力航母堆芯应急冷却供电系统

“戴高乐”号核动力航母排水量35000 t，2001年5月服役，采用2座“凯旋”级核潜艇的K－15型压水堆，单堆推进功率61 MW。“戴高乐”号航母采用潜艇的核动力装置，但其应急电源中没有作为潜艇标准配置的蓄电池，而采用柴油机发电机和燃气轮机发电机作应急电源。这是由于相对核潜艇，航母上有充足的氧气来源，可采用其他替代后备措施。“戴高乐”号航母的电力系统设计有其独特之处，采用了多种类型的发电原动机，利用不同类型原动机的特点，取长补短，增加系统工作的可靠性。“戴高乐”号核动力航母的电力系统示意图如图2所示。

航母上设置了2个主电站，每个电站包含2台2MW的汽轮发电机组，对称地布置在两舷;舰上还设置了2个应急电站和2个安全电站，每个应急电站配置3台单机功率0.85 MW的应急柴油发电机，每个安全电站配备了2台燃气轮机发电机(取代蓄电池作应急电源)专门用于反应堆的应急供电，单机功率约为1.9 MW。

图2 “戴高乐”号核动力航母电力系统示意图Fig.2 The electric system of the Charles de Gaulle nuclear powered carrier

堆芯应急冷却供电系统同样是全舰应急供电系统的一个组成部分。 “戴高乐”号航母通过如下供电组合，确保对反应堆的应急供电:主电站+应急电站柴油发电机，应急电站柴油发电机+安全电站燃气轮机发电机。燃气轮机具有启动快、控制方便的特点，可显著提高设备供电的可靠性。通过这种3套电站10台机组的交叉供电配置，包括核反应堆堆芯应急冷却系统在内的反应堆安全辅助设备能够得到持续、可靠的电力供应。

3 美国核动力航母堆芯应急冷却供电系统初步分析

美国“尼米兹”级核动力航母采用2座A4W/A1G反应堆，单堆热功率500～600 MW。其中“尼米兹”号核动力航母的全舰发电量达到了72 MW，配备8台功率为8 MW的汽轮发电机及4台2 MW的柴油应急发电机，此外还配有多组蓄电池。对于美国核动力航母的相关系统设计披露极少，通过对“北极”号破冰船供电系统的分析及结合美国核动力航母应急供电系统的原动机和蓄电池的配置，可以得出美国核动力航母与“北极”号破冰船的堆芯应急冷却供电系统遵循相同设计思路的结论。由于核动力航母的反应堆热功率显著大于破冰船以及其对生存能力有更高的要求，需要充分考虑发电机组的单机容量规格和数目、多台发电机组连接方式的可靠性、电站的布置及独立性等。

4 核动力航母堆芯应急冷却供电系统的设计原则

核动力系统中堆芯应急供电系统设计的最主要特征体现在对应急供电系统的可靠性和不间断性的重视，以确保在事故状态下应急电源能有效工作。具体体现在以下几个方面:

1)电源的冗余。对于核动力航母而言，某一反应堆发生停堆时，仍能由另一个反应堆的汽轮机发电维持必要的电源;在主电源失去的情况下，通过设置的多个应急柴油发电机组进行发电，并且考虑到柴油机的故障率，可再设有一个或多个备用柴油机;还设有一定容量的蓄电池组，并设有直流－交流电力转换装置，维持应急柴油机启动间隙及一次启动失败时的供电，为事故处理争取时间。

2)供电线路的冗余。采用高可靠性的网形配电方式［3］，保证包括堆芯应急冷却系统在内的核安全相关的系统能得到至少2条以上的线路供电。

3)不同电力来源及供电线路间的独立性。保持不同供电路径之间的相对独立，在一条途径损坏时不对其他途径产生影响。如一母线上的故障不会对另一母线造成影响。

对应急电源系统可靠性的重视还体现在:应急电源的设计提供了充足的裕度，如应急柴油发电机的功率、蓄电池组的容量;应急电源系统的测试和维护，如柴油机组定期进行可靠性测试。系统多重冗余性及裕度的设计虽然增大了系统的规模及成本，但考虑到核反应堆事故的严重性，这些措施非常必要。

5 结语

为堆芯应急冷却系统提供电力供电系统的设计对于核动力舰船的安全性至关重要。通过对典型核动力舰船供电系统特点的分析，可看出堆芯应急冷却供电系统是全舰应急供电系统的一个组成部分，强调安全性和可靠性是应急供电系统设计的核心，也是核动力舰船堆芯应急冷却供电系统的设计原则。这种原则通过设置应急电源冗余、供电线路冗余以及保持不同电力来源及供电线路间的独立性等方式来体现。

［1］彭敏俊，王兆祥.船舶核动力装置［M］.北京:原子能出版社，2009.

［2］张大发，船用反应堆运行与管理［M］.北京:原子能出版社，1993.

［3］庞科旺，船舶电力系统设计［M］.北京:机械工程出版社，2010.