航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)研究及未來發(fā)展趨勢(shì)展望

摘要：介紹了航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)的組成、技術(shù)特點(diǎn)及主要功能，并重點(diǎn)對(duì)其未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。就目前而言，針對(duì)核動(dòng)力航母的技術(shù)發(fā)展仍需不斷提高核反應(yīng)堆的安全性、可靠性及功率密度，并延長(zhǎng)堆芯壽命，同時(shí)仍需增強(qiáng)反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力，改善核動(dòng)力系統(tǒng)自控水平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體集成化設(shè)計(jì)，合理優(yōu)化系統(tǒng)配置。目前核動(dòng)力航空母艦的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域依然有待優(yōu)化及完善，針對(duì)其開展的科學(xué)研究對(duì)于未來有著重大戰(zhàn)略意義。

關(guān)鍵詞：航空母艦;核動(dòng)力;核反應(yīng)堆;核裂變;汽輪機(jī)

0? ? 引言

2009年5月12日，美國(guó)“小鷹”號(hào)常規(guī)動(dòng)力航空母艦結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)48年的服役期，正式退出現(xiàn)役，給美國(guó)海軍常規(guī)動(dòng)力航空母艦時(shí)代畫上了句號(hào)。至此，美國(guó)海軍現(xiàn)役航空母艦已全部為核動(dòng)力航空母艦，開始步入全核動(dòng)力航空母艦時(shí)代。

1? ? 航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)組成

現(xiàn)役的核動(dòng)力航空母艦，如美國(guó)的“尼米茲”級(jí)、“福特”級(jí)和法國(guó)的“戴高樂”號(hào)，使用的都是壓水型反應(yīng)堆。其核動(dòng)力系統(tǒng)由反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)、綜合控制系統(tǒng)、專設(shè)安全與輻射防護(hù)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)等幾部分組成，包括反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主冷卻劑泵、主汽輪齒輪機(jī)組、推進(jìn)軸系等主要設(shè)備，以及維持核動(dòng)力系統(tǒng)正常運(yùn)行、保證對(duì)人員健康和安全不會(huì)造成特別危害所需的其他結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件[1-4]。

2? ? 航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)可將核裂變能轉(zhuǎn)換為推進(jìn)航空母艦的動(dòng)力，與常規(guī)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)相比，具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)[5]：

（1）核燃料具有極高的能量密度，燃料重量占全艦載重量的比例較小。核燃料的能量密度是常規(guī)燃料的幾百萬倍，核動(dòng)力航空母艦不需要攜帶大量燃料，也不需要頻繁補(bǔ)給燃料，提高了自持力和戰(zhàn)斗力。

（2）可為航空母艦提供較大的續(xù)航力和推進(jìn)功率。航空母艦反應(yīng)堆一次裝載的核燃料，可以保證航空母艦連續(xù)全速航行300天以上，美國(guó)三代核動(dòng)力航空母艦的推進(jìn)功率都達(dá)到了206 MW（28萬馬力），航行速度在30 kn以上。

（3）核裂變反應(yīng)不需要氧氣，有利于提高航空母艦的隱蔽性。核動(dòng)力航空母艦不需要像常規(guī)動(dòng)力航空母艦?zāi)菢釉O(shè)置龐大的進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了航空母艦的紅外特征。

（4）核動(dòng)力系統(tǒng)較為穩(wěn)定、易于控制。與常規(guī)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)相比，壓水堆核動(dòng)力系統(tǒng)具有自穩(wěn)自調(diào)特性，負(fù)荷跟蹤特性比較好。

（5）核裂變反應(yīng)具有一定放射性，增加了核動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜性。由于必須考慮核裂變放射性屏蔽、反應(yīng)堆停堆后的衰變熱導(dǎo)出及高溫高壓的冷卻劑管道破裂的防護(hù)，核動(dòng)力系統(tǒng)與常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)相比更為復(fù)雜，運(yùn)行和管理的要求更高。

3? ? 航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)的主要功能

（1）以艦用大功率核反應(yīng)堆為能源，產(chǎn)生的飽和蒸汽為本艦推進(jìn)主機(jī)、發(fā)電機(jī)等提供熱能。

（2）通過蒸汽熱能推動(dòng)主汽輪機(jī)組、軸系帶動(dòng)螺旋槳為本艦提供推進(jìn)功率，通過汽輪發(fā)電機(jī)組為本艦提供電能[6]。

（3）向海水淡化裝置、液艙加熱系統(tǒng)和日用蒸汽系統(tǒng)等全艦相關(guān)用戶提供工作蒸汽。

（4）設(shè)置核安全設(shè)施，用以保證反應(yīng)堆安全停堆、堆芯充分冷卻，限制事故的進(jìn)展并減輕事故后果。

（5）設(shè)置輻射防護(hù)系統(tǒng)，使核動(dòng)力航空母艦艦員輻射劑量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并保持在合理可行盡量低的水平，使公眾和環(huán)境免受放射性危害。

4? ? 航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

航空母艦動(dòng)力系統(tǒng)未來可能存在多種動(dòng)力型式，但核動(dòng)力仍將是其中主要的動(dòng)力型式。航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)最新發(fā)展的趨勢(shì)和特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[7]：

4.1? ? 提高安全性與可靠性

提高反應(yīng)堆的固有安全性。固有安全性是指反應(yīng)堆在運(yùn)行參數(shù)偏離正常時(shí)能依靠自身物理規(guī)律趨向安全狀態(tài)的性能。例如，壓水堆的慢化劑溫度系數(shù)和燃料多普勒系數(shù)一般為負(fù)值，在功率波動(dòng)時(shí)，反應(yīng)堆具有一定的自穩(wěn)自調(diào)能力，這就是固有安全性的一種體現(xiàn)。在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中引入固有安全性，是保證反應(yīng)堆安全的重要方法。

應(yīng)用非能動(dòng)安全系統(tǒng)，彌補(bǔ)安全系統(tǒng)只有依靠艦上電力才能投入使用的缺陷，使核動(dòng)力系統(tǒng)在各種事故條件下，不需人為操作，就能自動(dòng)保證反應(yīng)堆的安全。依靠重力、對(duì)流、蒸發(fā)等自然過程自動(dòng)處理各種事件，即使在發(fā)生嚴(yán)重失水事故時(shí)，也能保證堆芯得到充分冷卻;由于不需要運(yùn)行人員操作，可以避免人為誤操作的發(fā)生。

“尼米茲”級(jí)航空母艦反應(yīng)堆主要基于20世紀(jì)60年代的核技術(shù)，受當(dāng)時(shí)的計(jì)算能力、測(cè)試數(shù)據(jù)以及所使用的設(shè)計(jì)規(guī)則限制，其建模能力十分有限，因此為了保證安全性，只能執(zhí)行保守的工藝和程序?！案Ｌ亍奔?jí)的A116反應(yīng)堆在保證安全的前提下降低了設(shè)計(jì)保守性，通過改進(jìn)方法并開發(fā)新模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)負(fù)載的預(yù)測(cè)和分析，建立新的堆芯性能規(guī)范，使堆芯運(yùn)行效率最大化，通過計(jì)算模型的精確化，在保證核安全的基礎(chǔ)上，有效提高了核動(dòng)力系統(tǒng)的使用性能。

4.2? ? 提高功率密度

單堆熱功率增大，反應(yīng)堆數(shù)量減少，將有助于減小動(dòng)力系統(tǒng)的安裝復(fù)雜度，降低核動(dòng)力系統(tǒng)的控制復(fù)雜度，減輕動(dòng)力系統(tǒng)的總重量。如“企業(yè)”號(hào)航空母艦的A2W單堆功率僅為150 MW;“尼米茲”級(jí)航空母艦的A4W/A1G則已達(dá)到500 MW;而最新的A116反應(yīng)堆據(jù)稱比A4W/A1G又提高了25%的能量，由此計(jì)算，單堆功率應(yīng)該達(dá)到625 MW。

4.3? ? 延長(zhǎng)堆芯壽命

堆芯壽命是指一個(gè)新堆芯或換料后的堆芯在滿功率運(yùn)行條件下有效增殖因子降到1所需的時(shí)間;換言之，堆芯壽命是指反應(yīng)堆一次裝料后滿功率運(yùn)行所使用的時(shí)間。長(zhǎng)壽命堆芯的主要優(yōu)點(diǎn)是可提高在航率，減少艦殼的大切口次數(shù)，增加艦殼的可靠性，減少放射性廢物對(duì)操作人員和環(huán)境的影響，提高燃料利用率，降低換料費(fèi)用。

長(zhǎng)壽命堆芯的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命燃料元件，研制耐腐蝕、耐輻照材料;優(yōu)化燃料元件和堆芯結(jié)構(gòu)，提高轉(zhuǎn)換比和堆芯中子經(jīng)濟(jì)性，燃料元件采用稠密柵布置，采用可燃毒物控制對(duì)控制棒進(jìn)行程序控制，適當(dāng)加大燃料的初始裝載量。

為延長(zhǎng)堆芯壽期，美國(guó)始終堅(jiān)持發(fā)展板型燃料技術(shù)，從A2W、A4W的UZr含金板型燃料組件逐步發(fā)展到A1G的UO2-Zr彌散板型燃料組件和A116基于TTC技術(shù)的UO2-Zr彌散板型燃料組件，大幅減少了換料次數(shù)和對(duì)母艦強(qiáng)力甲板的切割次數(shù)，提高了航空母艦在航率，降低了保障費(fèi)用，減少了放射性廢物的數(shù)量和危害。從堆芯壽命來看，“企業(yè)”號(hào)第一次換料僅隔3年時(shí)間，之后的間隔時(shí)間逐漸拉長(zhǎng)，而目前“尼米茲”級(jí)實(shí)際換料間隔時(shí)間已達(dá)23年?！案Ｌ亍奔?jí)航空母艦最初設(shè)計(jì)時(shí)，希望在全壽期內(nèi)反應(yīng)堆不用換料，但目前用于CVN 78的A116反應(yīng)堆堆芯提供的能量雖然比“尼米茲”級(jí)航空母艦反應(yīng)堆堆芯高25%，但“福特”級(jí)航空母艦的功率需求比“尼米茲”級(jí)航空母艦明顯更高，因此A116反應(yīng)堆堆芯的使用壽命很難達(dá)到50年，即CVN 78可能仍需在全壽期中進(jìn)行換料，而且在“福特”級(jí)航空母艦維修計(jì)劃時(shí)間表中，在航空母艦服役22年之后也仍有“換料大修”（RCOH）這個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)然，反應(yīng)堆堆芯實(shí)際使用壽命的長(zhǎng)短還與艦艇在壽命期中的運(yùn)行情況密切相關(guān)。

4.4? ? 增強(qiáng)反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力

現(xiàn)代航空母艦壓水堆核動(dòng)力系統(tǒng)正不斷提高反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力，利用反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)回路中熱段和冷段內(nèi)冷卻劑的密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭實(shí)現(xiàn)冷卻劑的循環(huán)。提高自然循環(huán)能力的主要措施有：

（1）蒸汽發(fā)生器的安裝位置相對(duì)于堆芯位置可盡量高，以增大蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆堆芯之間的熱中心位差，但其受堆艙尺寸限制。

（2）減小反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)阻力，如采用單流程堆芯，簡(jiǎn)化堆內(nèi)結(jié)構(gòu)，流動(dòng)阻力小，冷卻劑流量大，有利于增強(qiáng)自然循環(huán)能力;盡量縮短冷卻劑在蒸汽發(fā)生器、主管道中流經(jīng)的路程，簡(jiǎn)化系統(tǒng)及設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少?gòu)澋缽濐^數(shù)量及其長(zhǎng)度;反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)采用緊湊式或一體化布置。

（3）強(qiáng)化蒸汽發(fā)生器的換熱特性，在不增加一次側(cè)流阻的條件下減少熱阻。

（4）增大堆芯進(jìn)、出口冷卻劑的溫差，適當(dāng)提高堆芯含汽量，以提高反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中冷卻劑的密度差，但其受反應(yīng)堆熱工安全性限制。

（5）采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧瑴p小海洋條件對(duì)自然循環(huán)的不利影響。

4.5? ? 提高核動(dòng)力系統(tǒng)自控水平，減少人員誤操作概率

核動(dòng)力系統(tǒng)的自動(dòng)化對(duì)全艦的自動(dòng)化具有重要意義。衡量核動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的主要標(biāo)志是大量采用微型與小型計(jì)算機(jī)，對(duì)反應(yīng)堆控制的信息進(jìn)行綜合處理、綜合顯示，指導(dǎo)操作人員在正常和異常工況下的正確操作，防止事故的發(fā)生和縮小事故的范圍。

控制室是航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行管理中心，可從控制室布置、控制盤臺(tái)設(shè)計(jì)、控制室環(huán)境的人因化設(shè)計(jì)上提高控制室的人因化程度，降低艦員的誤操作概率;并可通過開發(fā)先進(jìn)的運(yùn)行支持系統(tǒng)，提高控制室的智能化程度，減輕艦員的操作量，為艦員執(zhí)行正確的操作提供智能化的支持。

4.6? ? 注重系統(tǒng)總體集成化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)配置更加優(yōu)化

將傳統(tǒng)的不同分系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析、整合、優(yōu)化，力圖以最少數(shù)量的物理系統(tǒng)與設(shè)備達(dá)到最大的功效，從功能上做到系統(tǒng)集成、優(yōu)化，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)備組成。核動(dòng)力系統(tǒng)將持續(xù)向簡(jiǎn)化和集成的方向發(fā)展，“福特”級(jí)航空母艦核動(dòng)力系統(tǒng)比“尼米茲”級(jí)減少了約50%的閥門、管道和泵等設(shè)備，同時(shí)提高了系統(tǒng)設(shè)備的可靠性，使相應(yīng)運(yùn)行人員減少50%，維修量減少20%，全壽期費(fèi)用降低20%。

5? ? 結(jié)論及展望

在當(dāng)前世界局勢(shì)日益復(fù)雜，各國(guó)海防武備力量水平與日俱增的背景下，核動(dòng)力航空母艦依然有其不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其對(duì)鞏固國(guó)防安全、提升國(guó)家地位均有著顯著的促進(jìn)功效。盡管目前國(guó)際上充分掌握核動(dòng)力航空母艦技術(shù)的國(guó)家依然寥寥可數(shù)，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，其終將在世界舞臺(tái)上得以綻放華彩。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 伍賽特.核動(dòng)力艦船發(fā)展前景展望[J].節(jié)能，2019，38（3）：117-120.

[2] 伍賽特.核動(dòng)力破冰船的發(fā)展前景展望[J].能源與環(huán)境，2019（4）：97-98.

[3] 伍賽特.海上浮動(dòng)式核電站應(yīng)用前景展望[J].能源研究與管理，2019（2）：11-14.

[4] 伍賽特.核動(dòng)力裝置應(yīng)用于民用商船的可行性分析研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2018，18（10）：97-98.

[5] 王景富.蒸汽冷卻器運(yùn)行特性分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[6] 伍賽特.汽輪機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].能源研究與管理，2019（4）：7-13.

[7] 吳曉光.航空母艦設(shè)計(jì)概論（下）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2018.

收稿日期：2020-03-26

作者簡(jiǎn)介：伍賽特（1990—），男，湖南邵陽(yáng)人，工學(xué)碩士，助理工程師，研究方向：艦船動(dòng)力裝置研究與開發(fā)。