潜艇“柴油机+小型反应堆装置+电力推进”AIP装置军事、经济和使用性能分析

李大鹏, 王臻



潜艇“柴油机+小型反应堆装置+电力推进”AIP装置军事、经济和使用性能分析

李大鹏1, 王臻2

（1. 海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033; 2. 海军大连舰艇学院 外训系，辽宁省大连市 112700）

介绍小型反应堆装置作为潜艇AIP装置的研发现状，对使用“柴油机+小型反应堆装置+电力推进”的AIP潜艇的军事、经济和使用性能进行了分析。以实艇装备、技术成熟度最高的AMPS装置为例，详细讨论了其系统组成、运行参数和方式、舱室布置，并对这类潜艇AIP装置研发与应用、可行方案、存在问题与发展前景进行了分析与展望。

潜艇 AIP 小型反应堆装置 AMPS

0 引言

在水下续航性能上，没有哪种非核动力潜艇能与核动力潜艇相比。严格意义上讲，核动力潜艇才是真正的AIP潜艇。核动力潜艇水下最大航速要远远超过非核动力潜艇。近年来，核动力潜艇在降噪方面进步较大，低噪声水下航速得到了大幅度提高，如美国海军“弗吉尼亚”级多用途核动力潜艇的最大低噪声航速已达到15 kn。在与非核动力潜艇的对抗中核动力潜艇处于上风。

核动力潜艇造价高、使用和维修保养费用高、销毁难度大，还要涉及错综复杂的国际政治和地缘关系，拥有核动力潜艇并非易事。另外，在特殊海区，如峡湾和近海浅水海域，执行一些诸如布雷、人员输送等任务，采用非核动力潜艇具有较高的军事经济性。

为提高非核动力潜艇续航力、降低暴露率，可通过为常规柴-电动力潜艇加装AIP舱段，使得潜艇水下续航力大大提高。但是，要大幅度提高AIP潜艇水下续航力，对于斯特林发动机、闭式循环柴油机和闭式循环汽轮机AIP装置，必须要装载足够的燃料和氧化剂，这就会增大潜艇尺寸和排水量；对于使用氢燃料燃料电池电化学发电机AIP装置，氢价格较高，为AIP潜艇建设岸上充注设施更是投资巨大，造成AIP潜艇的保有和使用费用也较高。

随着科学技术发展，潜艇核动力装置小型化己取得关键性技术突破。在此背景下，常规柴-电动力潜艇上加装小型反应堆装置作为AIP辅助动力装置，建造“柴油机+小型反应堆装置+电力推进”联合动力装置潜艇，可以吸收核动力装置潜艇优点，克服常规柴-电动力潜艇的缺点，在建造成本有限增加的前提下，极大提高潜艇战斗性能。“柴油机+小型反应堆装置+电力推进”联合动力装置潜艇的造价和技术复杂性要大大低于核动力潜艇，既可用于新型潜艇设计，又可用于现役潜艇的改装。

小型潜艇反应堆可采用技术成熟可靠、设计运行经验丰富的一体化压水堆，也可采用脉冲堆和高温气冷堆。随着核科学和技术的发展，也将会有更多可用堆型出现。

1 军事、经济和使用性能分析

从能量来源角度，可将非核动力潜艇动力系统分为三类。A类：潜艇全部能源都来自消耗外部空气柴油发电机组发出电力，蓄电池贮存电能；B类：潜艇全部能源的一部分由A类生成，其余由使用常规碳氢燃料（柴油、天然气、氢气、氧气等）的AIP装置提供；C类：潜艇全部能源的一部分由A类生成，其余由使用非常规燃料AIP装置提供，如小型反应堆装置。见图1所示潜艇推进系统与水下航行时间关系[1]。“柴油机+小型反应堆装置+电力推进”联合动力推进系统可满足长时间水下航行的要求。

表1给出了采用核动力装置、使用常规碳氢燃料的非核动力装置（包括普通柴-电动力潜艇和AIP潜艇）以及采用小型核反应堆的联合动力装置经济性比较[2]。

图1 推进系统与水下航行时间的关系

表1 不同类型潜艇AIP装置经济性比较

采用小型反应堆装置的潜艇可以仍然保持较小的水下排水量，因为装置需求功率较小。尽管这种潜艇的运行和维修费用及年寿命循环费用要比使用常规碳氢燃料的非核动力潜艇高，与通常核动力潜艇相差不多，但以效费比衡量，虽然比通常核动力潜艇低许多，但也远远高于使用常规碳氢燃料的非核动力潜艇。因此从军事-经济性角度看，这种潜艇比使用常规碳氢燃料的非核动力潜艇性能优越。

“柴油机+小型反应堆装置+电力推进”联合动力潜艇是在常规柴-电动力潜艇上加装小型反应堆，与常规柴-电动力潜艇、AIP潜艇相比，虽然水下续航力大大提高，但在技术参数和战斗性能上与通常核动力潜艇还是有很大差距。因此，作战使用上应有别于上述三种潜艇，对其战术和战役使用原则需专门进行研究。

加装小型反应堆装置更适合作为柴-电动力潜艇改装方案，尤其对于大量过时的柴-电动力潜艇，不失为大幅提高潜艇战术-技术性能非常经济有效且快捷的方法。加装小型反应堆装置后的柴-电动力潜艇，虽然在水下续航力和航速上有极大提高，但在潜艇隐蔽性上需要重新估算，并采取有效的降低舰船物理场措施。在新设计和新建造的非核动力潜艇上安装小型反应堆装置意义不大，因为与其这样，不如直接建造核动力潜艇。

虽然加装的是小型反应堆，但严格意义上说，这种潜艇已经属于核动力潜艇范畴了。由于反应堆上艇，必须要遵循保证核安全的相应运行操作规范，且反应堆的换料与退役管理与核动力潜艇并无太大区别。

2 AMPS装置

目前非核动力潜艇装备的小型反应堆装置型号不多。其中，加拿大渥太华能源转换系统公司（ESC）研发的AMPS（Autonomous Marine Power Plant，自主式船用动力装置）系列是目前实际装备和运行的小型反应堆装置，技术成熟度最高也最为成功，积累了丰富的设计和使用经验。

ECS为潜艇和水下工作设备使用的AMPS研究始于1973年，在柴-电动力潜艇上加装AMPS是作为辅助动力装置[3]。1980年，为无人看管水下工作设备研制了AMPS装置。自1983年，ECS为法国“Cara-H”型潜艇安装了AMPS装置，进行了包括冰下航行在内的多项实验。实验取得了成功，并对加拿大及其他国家海军潜艇动力发展都具有重要影响。

AMPS装置使用小尺寸小功率热中子水冷反应堆，该反应堆在Slowking小功率慢中子研究堆基础上设计。第一座反应堆是乔克河国家实验室在1968～1969年研制，反应堆为池状，活性区包围铍反射层，1012n/(cm2·s)热中子通量，主要用于中子活化反应研究和教学。

自1970年，共建造了8座这种类型反应堆，所有反应堆都获得了无操作人员运行许可，只需在24 h内检查一次。其中，7座反应堆的活性区装有0.8 kg质量铀-铝合金高富集度铀（U-235含量93%）燃料。第8座也是最后一座反应堆活性区建于1985年，装有5 kg质量低富集度铀（U-235含量20%）。

在所有这种类型后续反应堆中，都使用低富集度铀燃料。由于具有负反应性温度系数以及不大的后备反应性，Slowking反应堆具有较高安全性，因此反应堆自动停堆系统中不需要电离室。反应堆被唯一一根带有中子探测器的电机驱动吸收棒自动控制工作。

对于热功率1.0～1.5 MW反应堆，活性区直径410 mm。活性区由具有较低能量密度放热单元组成，使用核燃料铀-锆-氢（U-Zr-H），这种铀-锆-氢燃料在23个国家63 座研究堆上使用。自1958年，这种燃料反应堆已成功运行800堆年以上。活性区包围有铍反射层。20%U-235富集度燃料全装量9 kg，可持续运行1000～1300 昼夜。

在Slowking反应堆基础上，ECS设计了10 MW功率热中子反应堆，保留了Slowking反应堆所有主要技术特征。反应堆设计主要目的是制造高可靠性、安全和造价低廉反应堆。反应堆活性区由784个燃料单元组成，含有富集度4.9%二氧化铀。50%功率平均利用系数下活性区更换周期6年。活性区包围有厚度10 cm铍反射层。1986年，建成了2 MW热功率示范堆，用于验证反应堆在无操作人员运行情况下的工作安全可靠性。示范堆含有10 MW功率堆的全部单元。

AMPS系统组成见图2。

图2 AMPS系统组成

ECS在上述反应堆基础上，研制了AMPS400和AMPS1000小型反应堆装置，型号命名中的数字“400”和“100”，代表装置功率分别为400 kW和1000 kW。表2给出了AMPS400和AMPS1000装置的主要参数。AMPS1000是ECS于1987年研制的1000 kW功率小型反应堆装置，安全性好，结构紧凑，寿命长，可用于2000 t级非核动力潜艇。

AMPS1000和AMPS400装置见图3。装置有两个独立回路。自反应堆活性区流出水温95°C，蒸发器中传热给二回路工质氟利昂。透平中工质蒸汽焓降转变为功，带动发电机。冷凝器中将作功后乏汽冷凝，泵送入预热器，再回到蒸发器。控制与监测系统调节流经透平氟利昂蒸汽流量，维持一回路温度平均值。事故情况下，每个换热回路都可保证70%发出功率。装置效率9.5%，约为现代潜艇压水堆动力装置的1/2。

反应堆冷却可以依靠一回路冷却剂水自然循环。自然循环状态下可得到20kW电功率。依靠反应堆活性区较达负反应性温度系数提高装置使用寿期内的安全性，装置处于无人自动化工作状态。由于活性区具有较低能量密度（小于50 kW/l），可保证反应堆1300昼夜使用寿命期间不会发生燃料元件烧毁事故，提高了装置可靠性和安全性。

表2 AMPS400和AMPS1000装置主要性能参数

图3 AMPS1000装置。

1-活性区；2-反应堆；3-预热器；4-泵；5-闸阀；6-蒸发器；7-冷凝器；8-透平；9-发电机；10-舷外水

还有一些技术问题有待解决，如二回路工质选择。对54种有机液体进行了研究分析，并在给定工作条件下，使用该种工质时装置具有最大热效率、可靠性、价格、重量尺寸指标、毒性和可燃性等参数作为优化准则进行了计算。当然，对在二回路中最常使用的工质水进行了重点研究。

3 AMPS装置应用

AMPS装置布置在潜艇耐压壳体内。AMPS潜艇舱段直径6.4～8.4 m。潜艇耐压壳体直径7.4 m时，内嵌AMPS舱段长度5.5 m。图4给出了在“柴油机+AMPS+电力推进”联合动力装置内嵌AMPS舱段所处位置。

图5给出了AMPS1000舱段的内部舱室布置。据估算，包括壳体结构和附件的AMPS1000舱段质量350 t。安装AMPS1000装置后，艇员增加3～12名，这主要取决于值班更次，部分岗位也可由原有艇员担任。为给活性区更换核燃料，耐压壳体内反应堆上方开设有1～1.5 m直径人孔，通过这个人孔可将燃料元件（35个）逐个移出活性区。

图4 AMPS舱段

图5 AMPS1000舱段布置

1-活性区；2-冷却剂储存；3-蒸汽发生器；4-冷凝器；5-一回路主循环泵；6-防护隔壁；7-液压阀；8-给水泵；9-汽轮发电机冷凝器；10-舷外水泵；11-蓄电池；12-船上配电板；13-变流器；14-汽轮发电机；15-柴油发电机；16-主推力轴承；17-主推进电机；18-配电板

自零负荷冷态将装置加热到启动工况需要不到2 h时间，与初始温度有关，然后就可以较快地提升装置功率。根据加拿大专家观点，即使潜艇沉没，也可保证AMPS1000装置安全。潜艇壳体结构上，舷外水在比耐压壳体发生损坏时要小的深度上进入壳体内部，可使潜艇内部压力平衡，不会发生结构损坏。据估算，常规柴-电动力潜艇嵌入AMPS1000装置舱段后，造价将提高15 %。

ECS和西屋公司签订协议，对燃料元件中使用电加热的AMPS模型装置试验。1988年，位于圣迭戈市的AMPS原型装置热工水力试验台投入使用。这种类型实验装置需要的技术维护和基本保障相比传统潜艇核动力装置要少得多，归功于这种核动力装置的可靠性和辐射安全性有大幅度提高。在功率提高两倍（与额定工况相比）及各种事故情况下（如一回路循环泵停运及其他事故工况），试验台架上验证了反应堆活性区性能。计划将试验台架用于培训装置操作人员。

据估计，在近似船用工作条件下，AMPS装置调试需要时间不少于5年。4艘使用“柴油机+AMPS+电力推进”动力装置潜艇建造计划费用，包括岸上试验台架，约1.6亿美元。加拿大曾研究了不同AMPS装置方案，包括1000 t级排水量潜艇使用100和400 kW功率（电功率）AMPS装置，可以安装在德国U-209级和瑞典A-17级潜艇上。

安装AMPS装置后，可保证这些潜艇在不使用蓄电池情况下，以4～5 kn航速具有几乎无限水下续航力。为排水量2000 t级潜艇，如德国TR-1700级或瑞典471级潜艇，研制了1000 kW功率（电功率）AMPS装置，可保证潜艇不使用蓄电池情况下8～12 kn水下航速，但仅在需要最大航速时装置才投入，作为加速发动机。

对AMPS感兴趣的还有英国、荷兰和德国。据报道，加拿大和法国、英国、巴基斯坦就出售使用AMPS装置潜艇进行了谈判。英国计划在多佛港建造这种类型潜艇。多佛港是英国三大海军基地之一，核动力潜艇修理也在这里进行。加拿大曾计划建造6艘这种潜艇，建造费用预计18亿英镑。

1989年，加拿大搭建了AMPS装置原型试验台，对AMPS装置极端工况下工作性能进行了广泛和长期测试。实验取得了成功。自1994年，首先对400 kW功率（电功率）AMPS装置进行了实验。之后，1996～1997年，对1000 kW功率（电功率）AMPS装置进行了实验。如果必要，还可将装置功率提高到1700 kW（电功率）。

目前，AMPS装置还只限于在常规柴-电动力潜艇上使用。由于反应堆安全性提高并大量采用计算机技术，AMPS装置只需少量操作人员，无需对基地保障设施作出太大的升级改造。

4 其他潜艇小型反应堆装置

加拿大小功率反应堆取得经验推动了法国和西班牙对类似潜艇动力装置的研究，但所研制的小型核动力装置不是保证潜艇最大水下航速，而是用于获得战术要求必需的水下平均航速。研究表明，这种核动力装置潜艇以7 kn水下航速航渡10昼夜到达巡逻区域，再以3 kn航水下速度巡逻30昼夜，然后7 kn水下航速返回基地，航行距离达7200海里，自持力50昼夜，其中17 kn航速水下航行1 h达10次，4 kn航速水下航行时间超过100 h。

这种小型核动力装置潜艇曾与其他形式AIP装置潜艇进行过比较。相同条件下，采用电化学发电机装置潜艇具有最小水下排水量，电化学发电机装置燃料单元使用聚合物电解质和甲醇燃料，利用甲醇热解制氢，甲醇在潜艇耐压壳体外部容器内储存。

法国曾将小型反应堆装置安装在排水量1050 t“阿戈斯塔”级非核动力潜艇上。使用一体化核反应堆，蒸汽发生器位于反应堆壳体内，一回路自然循环冷却，低富集度铀燃料元件为法国公司制造。包括生物屏蔽在内反应堆高度4 m，直径2.5 m，质量40 t。汽轮发电机功率1 MW，可以保证主轴系推进电机推进和全船电力用户需要。主轴系推进电机功率900 kW时，潜艇水下航速13 kn，此时全船电力用户需求功率100 W。实验表明，安装有小型反应堆装置的“阿戈斯塔”级潜艇13 kn水下航速下续航力12500海里，而采用常规柴-电动力装置，7 kn水下航速下续航力仅6700海里。

法国还研究了小功率模块化反应堆装置，称SCORE（Systeme Compact de Reateur Embarquable）。这种紧凑式反应堆装置具有很高自动化水平，除启动和停止工况，运行无需操作人员参与，且具有很好可靠性指标。修理模块可采用更换方式，即将小型反应堆装置模块整个从潜艇上卸除下来，替换新模块即可，方便高效，但装置电功率不超过2 MW。尽管这种反应堆装置模块尚未实际应用，但研究取得成果已经应用到后续潜艇核动力装置上。

美国通用原子能公司和ESC还联合为海底探测潜艇研制了AMPS-1装置[4]，见图6。

另外值得一提的案例，是日本原子能研究所（JAERI）自20世纪80年代后期开始研制深海探测潜艇，艇上使用DRX小型反应堆装置[5]，见图7。

核动力装置输出功率150 kW，采用小型一体化压水堆。压力容器本体由两个直径2.2 m钛合金球型壳体连接而成，上部半圆型封头可拆卸。反应堆容器、蒸汽发生器、汽轮机、发电机及其他设备部件均包含在压力容器内。堆芯冷却剂自然循环。控制棒由停堆控制棒和反应性控制棒组成。失水事故情况下，堆芯仍会处于被淹没状态，安全性好。

图6 AMPS-1装置

1-动力舱室；2-预热器；3-蒸汽发生器；4-水处理器；5-加压器；6-冷却剂储存箱；7-进出口；8-屏蔽；9-堆芯；10-反应堆容器；11-衰减器；12-潜艇壳体

图7 DRX装置

5 前景与展望

AIP装置造价是潜艇设计和建造中非常重要因素，决定了潜艇军事-经济性能。俄罗斯奥姆斯克仪表特种结构设计局研制第5代非核动力潜艇单一电化学发电机装置，功率600 kW，短期峰值功率4000 kW，潜艇水下自持力60～90昼夜，虽然潜艇技战术指标接近核动力潜艇，但使用复杂、造价高昂，且电化学发电机装置造价几乎占动力装置总造价的绝大部分。因此，与其选择这种AIP潜艇与常规柴-电动力潜艇形成“高低”搭配，不如直接选择核动力潜艇。

国外经验表明，对常规柴-电动力潜艇进行AIP改装，升级为AIP潜艇是简单、快速且经济的技术方案。一种现实可行的改装方案是在潜艇中部嵌入AIP辅助动力装置舱段，这样在不显著增大潜艇排水量、最大水下航速略有降低的条件下，可以不消耗蓄电池电能，几倍地提高潜艇在低噪声状态下的不间断水下续航力。法国、瑞典、德国、俄罗斯都有这样的商品化的AIP舱段。

在传统柴-电动力潜艇上加装小型反应堆装置，可用作战斗机动的加速动力。据“阿穆尔”级系列型号潜艇总设计师Ю.Н.Кормилицин介绍，1976年，红宝石设计局就已经开始了将柴-电动力潜艇改装成核动力潜艇的相关研究设计，还考虑过对“基洛”级潜艇进行改装。1985年，苏联对651型柴-电动力巡航导弹潜艇“K-58”进行改装，加装600kW功率BAУ-5小型反应堆装置。反应堆装置布置在耐压壳体内容器内部，潜艇重新命名为651Э型。但后续由于大吨位核动力潜艇大量建造，小型反应堆装置并未引起订购方很大兴趣。

如果在677型潜艇上加装小型反应堆装置，则具有强大武备、超低噪声的核动力“拉达”级潜艇的技战术性能将遥遥领先于当代所有非核动力潜艇。据报道，改装柴-电动力潜艇的微型核反应堆预计将采用艾弗里甘多夫舰船设计局研制的迷你型反应堆，反应堆样品于2006年制造成功。这种小型反应堆装置可以在潜艇大修或现代化改装期间安装在现有柴-电动力潜艇上，也可以直接安装在在建柴-电动力潜艇上。2007年，俄罗斯制定了重新装备海军的宏伟计划，舰船设计思想也会有所改变。一些革命性、创新性设计必将出现。

[1] 刘光亚, 凌球. 21世纪常规潜艇动力发展方向. 船电技术, 2006.

[2] Dean A. Rains，Kenneth A. Mitehell. 核与非核攻击潜艇动力装置比较. 陈世君译，国外核动力，2004.

[3] А.Н.Батырев, В.Д.Кошеверов, О.Ю.Лейкин. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. Л.: Судостроение. 1994.

[4] 波部一郎. 核能海底探测潜水艇. 国外核动力，No.2，1988.

[5] Hiromasa Lida. Design Study of the Deep Sea Reactor. Nuclear Tehnology. 1994.

Characteristic Analysis of “Diesel+Small Reactor Power Plant+Electrical Propulsion” Submarine AIP Plant

Li Dapeng1, Wang Zhen2

（1.Naval university of Engineering, Hubei Wuhan 430033, China; 2.Naval Dalian Warship Institute, Dalian Liaoning 112700, China）

U674.76

A

1003-4862（2014）10-0001-06

2014-04-08

第47批“教育部归国留学人员科研启动基金”资助。

李大鹏（1972-），男，博士后。研究方向：舰船动力装置。