核动力舰船技术发展趋势研究及展望

（上海汽车集团股份有限公司 上海 200438）

1942年12月，美国芝加哥大学建成了世界上第一座反应堆，证明了实现可控链式裂变反应的科学可行性，标志着核能利用新时代的开始。在第二次世界大战期间及以后的一段时间内，世界各国先后建成了一批生产核武器用钚的生产堆和核潜艇用动力堆。自20世纪50年代初以来，人们利用已有的军用核技术建造了以发电为目的的核电厂，核能利用从军用转向了民用。经过60多年的发展，核能已经成长为能源和动力领域的强大支柱。自从1955年4月世界上第一艘压水堆核动力潜艇——“鹦鹉螺”号问世以来，不同类型的可移动核动力得到了快速的发展。可移动核动力为核潜艇、核动力航空母舰、核动力破冰船、核动力深海潜水器、核动力航天器、航天核火箭、航天核电源等提供所需的推进动力［1-6］，在诸多领域或发挥着巨大作用，或展现了诱人的应用前景。

1 船用核动力装置

根据其应用领域不同，船舶核动力装置一般分为两类：一类为民用船舶动力装置，如核动力破冰船、核动力客商船和海洋科学考察船等；另一类为军用舰艇动力装置，如核动力航空母舰、核动力潜艇和核动力巡洋舰等。尽管民用与军用舰船核动力装置的应用领域存在明显不同，但其结构组成及运用原理总体相似。核反应堆中原子核裂变所产生的热能通过一回路中的冷却剂带走，在蒸汽发生器中将该热能传递给二回路中的水，所产生的高温、高压蒸汽用来驱动汽轮机，经减速后带动螺旋桨航行。

舰船核动力装置的核心部件是核反应堆。用于舰船核动力的堆型有多种类型，但采用最多的是压水堆。压水堆舰船核动力装置系统一般由反应堆、一回路系统、二回路系统、电力系统、推进轴系几大部分组成。与核电厂主要的差别在于系统组成中存在的推进轴系。

舰船核动力装置与核动力电厂相比较，虽然其工作原理基本相同或相似，但工作环境和运行条件，以及运行管理和监督措施的要求却存在较大区别。舰船核动力装置的工作环境和运行条件如下［7］：（1）船舶受海洋条件的影响，易产生摇摆和倾斜；（2）易产生海洋事故，包括碰撞、触礁和火灾；（3）船舶速度（负荷）变化急剧，且幅度大，有时必须倒航；（4）航行远离基地、码头，给维修、补给造成困难；（5）船内空间有限，所有设备必须质量轻体积小；（6）船上及港口人员密集，所以放射性防护极为重要；（7）海洋气候潮湿，且含有盐分。

舰船核动力装置由于受舰船工作环境和运行条件的影响和限制，其技术经济指标与核电厂也不尽相同。相同的经济技术指标涉及装置的功率、装置的安全性、装置的经济性、装置工作的可靠性等［8-10］；不同的指标有装置的质量、尺寸等机动特性、装置工作的适航性等。

2 核潜艇

核动力潜艇又称核潜艇，具有良好的隐蔽性、较强的自给力、续航力和较强的前线突击能力，可用于袭击海岸设施和陆上重要目标，攻击大中型水面舰艇和潜艇，以及布雷、侦察和输送人员等。按战斗力一般可分为核动力弹道导弹潜艇、攻击型潜艇和巡航导弹潜艇。

2.1 弹道导弹核潜艇

2.1.1 最先进的弹道导弹核潜艇

第二次世界大战后，美国海军共发展了多代核动力弹道导弹潜艇。目前在役数量最多、最为先进的便是第四代“俄亥俄”级核潜艇，由其构成了美国海基战略核威慑的主力。“俄亥俄”级核潜艇长 170.7 m，宽 12.8 m，吃水 10.8 m，长宽比为13.3∶1，为拉长的水滴型艇型，利于在水中高速航行，同时采用了一座功率大、寿命长的S8G自然循环压水反应堆，总功率6万马力（44129.9 kW），使水下排水量虽重达18750 t，但水下航速仍可达到25 kn，由于采用了高强度钢艇壳，其下潜深度可达400 m。

2.1.2 排水量最大的弹道导弹核潜艇

俄罗斯是目前世界上保有核动力弹道导弹潜艇最多的国家，现服役总量可达数十艘。其中“台风”级代表了当代弹道导弹核潜艇的先进水平，是目前世界上排水量最大的核潜艇。

“台风”级艇型尺寸较大，长170 m，宽25 m，吃水13 m；水下排水量26500 t；动力装置采用两座330～360 MW的压水堆和2台汽轮机，输出功率可达8万马力（58839.9 kW）；水上航速19 kn，水下航速26 kn；潜深300 m。与美国“俄亥俄”级潜艇相比，其水下排水量增大40%，但艇长大致相等，艇宽几乎大一倍，长宽比约为7：1，这种粗短的流线型使之水下航行阻力较小。

2.2 攻击型核潜艇

2.2.1 最小的核动力攻击型潜艇

“红宝石”是当今世界上最小的核动力攻击潜艇之一。该潜艇融汇了诸多先进的核动力推进技术，装备了诸多世界一流的武器装备，所以具有非常独特的性能和相当的攻击威力。

“红宝石”核动力攻击潜艇长72 m，宽7.6 m，吃水6.4 m；水面排水量2385 t，水下排水量2670 t；最大下潜深度300 m，最大航速25 kn。其具有小型舰艇的优势，其可在活动空间小、情况复杂、声波传播条件差等海域环境下灵活自如地活动，大显身手。“红宝石”虽与大中型核动力攻击型潜艇相比性能上存在有一定差距，但其在机动性、隐蔽性和经济性等方面却又令其他同类舰艇自叹不如。

2.2.2 航速最快、潜深最大的核动力攻击型潜艇

在前苏联的攻击型核潜艇的发展史上，“阿尔法”级是一型具有创新意义的潜艇，其设计经验已在其后的“西尔雷”级艇的设计上得到应用。“阿尔法”级潜艇建造于1970—1983年间，其独创性地采用了钛合金作艇壳，长宽比也与以前的核潜艇大不相同，以达到水动力性能最佳状态。核反应堆采用新型的液态铅铋合金冷却的中能中子反应堆，功率密度为普通反应堆的4倍。

这些创新使“阿尔法”级潜艇在下潜深度和艇速上创下了世界纪录，其最大潜深为914 m，最大水下航速为45 kn，这一航速与鱼雷的航速相差无几，大大提高了潜艇规避鱼雷攻击的能力。“阿尔法”级潜艇的排水量在俄罗斯现有核动力攻击型潜艇中尚属最小的，水上为2700 t，水下为3600 t，艇长81.5 m，宽 9.5 m，吃水 7.5 m。

2.2.3 参加海湾战争的核动力攻击型潜艇

“洛杉矶”级潜艇自1976年首艇服役至今已有30余年的历史，是美国海军技术上最成功的一级攻击型核潜艇，也是目前在役数量最多的。“洛杉矶”级是一级多用途攻击型核潜艇，可执行反潜、反舰、护航、布雷、侦察、救援等多种任务，装备“战斧”巡航导弹后还可执行对地纵深打击的任务。该级艇长110.3 m，宽10.1 m，吃水9.9 m；水下排水量 6927 t，水下航速32 kn；最大潜深530 m。动力装置为1座自然循环压水堆，主机为2台汽轮机，轴功率4.5万马力（33080 kW）。有多艘“洛杉矶”级潜艇参加了1991年的海湾战争，其中2艘首次发射了“战斧”导弹。

2.3 巡航导弹核潜艇

“库尔斯克”号属俄罗斯最大的一型“奥斯卡”级飞航导弹核潜艇，是其飞航导弹核潜艇的最后一级，俄海军将其定为水下一级核巡洋舰。该级共有两型，“奥斯卡Ⅰ”型均已退役，“奥斯卡Ⅱ”型现有多艘在役。“奥斯卡Ⅱ”型的水上排水量为13900 t，水下排水量为 18300 t；长 154 m，宽 18.2 m，稳定翼在内的宽度为20.1 m，吃水9.2 m；极限下潜深度为500 m，工作深度420 m。水上航速为15 kn，水下为28 kn。动力装置中，共有2座反应堆（各为190 MW）和2台汽轮机，采用双螺旋桨推进。

3 核动力航空母舰

目前世界上在役数量最多的一级航空母舰，就是 “尼米兹”级核动力航空母舰。该级航空母舰满载排水量为91000 t以上。“尼米兹”级第五艘“林肯”号由于在建造时格外加装了重6000 t的装甲板，因而其满载排水量骤增到102000 t。“尼米兹”级航空母舰的尺寸也相当惊人，舰长330 m，宽76 m，舰体吃水11.3 m，舰体从舰底龙骨到舰桥顶部共高70余m。舰上动力装置采用2台压水反应堆，总功率28万马力（205939.65 kW），最大航速33kn；加一次核燃料可使用 13 a，续航里程为80万～100万海里。

“尼米兹”级航空母舰自问世以来，以打击力强、反应迅速、机动性好、兵力投送能力大，始终为美国海军和历届政府所青睐，经常作为“急先锋”被派往世界有关海区，以应付地区冲突或局部战争。海湾战争中，美国海军就曾出动了包括“尼米兹”级航空母舰在内的多艘航空母舰。目前，美国海军已有多艘“尼米兹”级航空母舰在役。

而近年来登上历史舞台的“福特号”航空母舰，更是集诸多高新技术于一体。其同样采用核动力推进系统，功率相较“尼米兹”提升约25%，配备有高压输电系统，供电能力可达20万kW，同时采用了综合电力推进、电磁弹射技术等先进技术，对未来核动力航母技术发展起到了重要引领作用。

4 核动力巡洋舰

美国有8级各种巡洋舰处于在役状态，其中5级为核动力。第一级核动力巡洋舰是1956年着手设计的“长滩”级，其为世界上最早的核动力水面舰艇。美国第一、第二、第三级核动力巡洋舰各只有一艘。到第五级为“弗吉尼亚”级，该级舰满载排水量 11000 t，标准排水量 8623 t，全长 178.4 m，宽 19.2 m，吃水9 m；装有2座性能改进提高了的D2G型压水堆，2台汽轮机，双轴，功率达10万轴马力（73549.875 kW），航速30 kn。

前苏联有一级核动力巡洋舰“基洛夫”级，首舰“基洛夫”号；第二艘“伏龙芝”号。该级舰长248 m，宽28 m，吃水8.8 m，满载排水量28000 t，是2个压水堆与石化燃料联合的核蒸汽联合动力装置，采用汽轮机，双轴，功率15万轴马力（110324.8 kW），航速33 kn。该级舰是前苏联第一代核动力水面舰艇，是目前世界上最大的巡洋舰之一。

5 舰船核动力技术的最新发展趋势

为了研制更高可靠性、更高安全性和更有生命力的核能动力装置，舰船核动力在美、俄、法、英等国的竞争中得到进一步发展，新技术得到应用和推广。舰船核动力技术最新发展的趋势和特点主要表现在11个方面。

5.1 压水反应堆依然为潜艇核动力的主流堆型

在建堆实践中首先被肯定的压水堆，在发展中不断改进创新，带动了世界压水动力堆的迅猛发展，使之成为当今各种动力堆型中的主流堆型，而且会是今后相当长时间内的发展趋势。

5.2 核能动力装置的功率规模不断增大

鉴于新设计和建造舰船的排水量和航速不断增加的趋势，提高反应堆功率势在必行。核潜艇已经从热功率60 MW、可提供1.5万马力（11032.48 kW）的轴功率，提高到了热功率250～300 MW、可提供 6～8万马力（44129.925～58839.9 kW）的轴功率，航速可达30～38 kn。核动力航母更高，接近13万马力（95614.8375 kW），航速可达 30 kn。

5.3 反应堆堆芯寿命不断延长

核能动力装置改良研究的发展方向是极力促进活性区寿命不断延长，其目标是争取与艇同寿命，使核潜艇在整个服役期内不必换料。反应堆堆芯的寿命已经从换料周期为2～3 a，提高到10 a。法国建成并已装艇的CAP和K-15压水堆堆芯寿命都长达25 a，使得一炉料可供核潜艇全寿期使用，大大提高了核潜艇的在航率和战斗力。美国的“弗吉尼亚”级多用途核潜艇装备有S9G反应堆，其堆芯也可在潜艇全寿期内持续使用。

5.4 不断提高反应堆自然循环能力

核能动力装置的自然循环能力是固有安全性好的标志，而且更重要的是可以消除主循环泵所产生的噪音，提高核潜艇的隐蔽性。自然循环压水堆已在“洛杉矶”级攻击型核潜艇及“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇上得以配装。同样正在探寻一回路冷却剂作100%自然循环的一体化反应堆应用的可能性。

5.5 反应堆堆芯采用板状燃料元件

核能动力装置的压水动力堆中，显著的变化趋势是从采用棒状燃料元件改用板状燃料元件，来提高堆芯的功率密度，增加紧凑性，满足一体化设计的需要。

5.6 采用一体化结构设计

一体化堆结构紧凑、安全可靠，其自然循环能力的额定功率可达60%，在主泵停转后仍能以中低速航行，大幅降低了巡航时的噪声，并提高了动力装置的固有安全性。潜艇核动力装置的发展从分散布置开始，经过紧凑式布置，最后建成一体化核能动力装置。法国是世界上率先采用一体化自然循环压水堆装备核潜艇和核动力航空母舰的国家。

5.7 采用高效直流蒸汽发生器

核能动力装置中采用的蒸汽发生器，出现了高效列管式直流蒸汽发生器、盘管式管外直流蒸汽发生器、螺旋管式管内直流蒸汽发生器等多种不同类型，以高效、紧凑、可靠等为目标，开展进一步的研发工作。

5.8 采用多种降噪措施提高隐蔽性

潜艇重要的战术性能之一是隐蔽性，隐蔽性在很大程度上决定于其航行时所产生的噪声。通过选择具有高自然循环能力的一体化技术，使用依据超导原理制造的电力推进器以及泵喷射推进器，采用核能动力装置的模块化结构，完善结构布局和核能动力装置的最优化设计等多种手段，已经卓有成效地把弹道导弹核潜艇的噪声级从1960年“华盛顿”级的156 dB降低到1981年“俄亥俄”级的96 dB。

5.9 开发性能更优良的全新反应堆堆型

目前，世界上已开发并得以利用的反应堆堆型有轻水堆（包括压水堆和沸水堆2种）、重水堆、高温气冷堆等，且以轻水堆为主。有前途的方案为液态金属冷却堆、球床过热水冷堆等。钠冷中子堆、钠钾冷却快堆、铅铋冷却快堆等堆型各有特点，其很多特性非常适合于潜艇的要求，因而用作潜艇动力堆堆型的可能性得到关注。但考虑到其安全可靠性差、易出事故或严重故障、不便于维修等诸多因素，在工程实践和运行实践中尚未得到推广。对于球床过热水冷堆，虽然燃料元件的制备和相容性等存在不少有待解决的技术问题，但系统简单和热效率大幅提高的性能特点使其受到极大关注。

5.10 通海设备的工作深度不断增加

核能动力装置通海设备的工作深度初期均为300 m左右，而后亦在不断增加，以“洛杉矶”级为例，其通海深度已增至450 m，“海狼”级则已达到610 m。

5.11 采用优化设计技术

将最优化设计技术应用到核能动力装置的设计中，使装置的总体设计趋于最佳化，有效提高核能动力装置的机动性能。

6 结论及展望

舰船采用核动力装置，具有功率大、续航性好、节能环保的技术特点，同时又无需耗费氧气且隐蔽性出色，从而特别适用于潜艇动力装置，在航空母舰及巡洋舰等大型水面舰艇领域同样有着较好的应用前景。但考虑到其较高的技术及成本要求，针对反应中产生的放射性物质的处置以及舰船自身的报废处理均是随之而来的重要问题。

就目前而言，世界范围内充分掌控舰船核动力技术的国家依然寥寥无几，在未来一段时间内，舰船动力装置依然会以常规动力装置作为主要推进动力来源。但随着相关技术的不断发展与完善，核动力装置终将在舰船动力领域得以广泛应用。