核動力在深海領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

仝潘 鄒文天 肖友軍 張萬良

（1 中國船舶科學(xué)研究中心 江蘇無錫 214082 2 深海載人裝備國家重點實驗室 江蘇無錫 214082）

0 引言

我國有300 萬km2的領(lǐng)海面積，海洋資源極其豐富，具有重要的經(jīng)濟(jì)、科研、軍事等價值［1］。2016 年5 月30 日于北京召開的“全國科技創(chuàng)新大會”上，習(xí)近平總書記提出深海戰(zhàn)略的“三部曲”：深海進(jìn)入、深海探測、深海開發(fā)。

由于核動力具有不依賴空氣，一次裝料可工作較長時間，并且能夠產(chǎn)生較大的功率等特點，自1954 年全世界第一艘核潛艇“鸚鵡螺”號服役以來，多個國家將其用于潛艇動力［2］。隨著人類對海洋研究、利用的不斷深入，深海成為核動力重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 國外深海核動力發(fā)展概況

在深海核動力領(lǐng)域，包括日本、法國在內(nèi)的發(fā)達(dá)國家提出了多種方案［3］。然而，目前只有美國和前蘇聯(lián)/俄羅斯完成了深海核動力深潛器的設(shè)計和建造，在深海領(lǐng)域開展了大量工作。

1.1 美國

根據(jù)公開資料［4］，目前美國至少建造了一艘核動力深潛器NR-1，如圖1 所示。美國NR-1 型深潛器于1967 年10 月10日開始建造，1969 年1 月25 日下水，同年10 月27 日服役，并在2008 年11 月21 日退役。

圖1 NR-1 核動力深潛器

NR-1 型深潛器水上排水量365.5 t，水下排水量393 t，長44.44 m，寬3.7 m，下潛深度915 m。深潛器定員7～8 人，實際攜帶13 人。NR-1 水下航速很低，僅有4 節(jié)，因此需要用其他水面船只或核潛艇將其拖拽到作業(yè)地點，最高的拖拽航速為6節(jié)。NR-1 采用汽輪機(jī)-電力推進(jìn)，深潛器前后都裝有推進(jìn)器，因此能在水下轉(zhuǎn)彎、盤旋和側(cè)偏。其設(shè)計與其它大多數(shù)深潛潛水器的區(qū)別在于核動力驅(qū)動，采用了一個緊湊型布置的壓水堆。該反應(yīng)堆在1990 年到1992 年期間進(jìn)行了第一次換料，反應(yīng)堆的運行壽命大約是20 a。由于采用核動力，NR-1 能在海底或海底附近長時間執(zhí)行任務(wù)，最長可達(dá)30 d，而常規(guī)深潛器一次僅能下潛幾個小時。

NR-1 服役之后參與完成多項任務(wù)，包括：①為國家機(jī)構(gòu)提供支持。主要用于國防與緊急民用任務(wù)，例如參與搜索以色列海軍失蹤的“達(dá)卡爾”號潛艇、在海底搜尋造成“挑戰(zhàn)者”號航天飛船空難的O 型環(huán)等；②對國家安全任務(wù)的支持。保護(hù)國家在海床上的國有資產(chǎn)、收集敵方信息、監(jiān)視與偵查、取證與調(diào)查等；③對科學(xué)任務(wù)的支持。NR-1 在海床上作業(yè)的范圍、續(xù)航能力、功率均優(yōu)勢明顯，這證明了其在科學(xué)領(lǐng)域的支持價值。此外，NR-1 還擁有速度快、靈活性強和不利條件下行動便利的優(yōu)勢，因此對洋底上和水柱中的作業(yè)頗具價值。

由于NR-1 在服役期間表現(xiàn)出的巨大應(yīng)用價值，美國已開始論證下一代核動力深潛器（NR-2）的方案。相比于NR-1，NR-2 擁有更高的航速、更大的潛深、更長的自持力。由于高度保密，目前無法獲取關(guān)于NR-2 建造、服役狀態(tài)的信息。

1.2 前蘇聯(lián)/俄羅斯

前蘇聯(lián)/俄羅斯是目前世界上深海核動力應(yīng)用經(jīng)驗最為豐富的國家，從20 世紀(jì)60 年代至今不僅服役了多型超大潛深攻擊型核潛艇，而且建造了至少3 型7 艘深海核動力工作站。

前蘇聯(lián)設(shè)計建造的“麥克”級685 型核潛艇最大潛深可達(dá)1 250 m，是目前世界上已知潛深最大的戰(zhàn)斗核潛艇［5］，如圖2所示?！胞溈恕奔売?0 世紀(jì)60 年代末開始設(shè)計，1978 年開始建造，1984 年8 月開始進(jìn)行海試。

圖2 “麥克”級核潛艇

“麥克”級的主尺度為118.4 m×11.1 m×7.4 0 m，水面排水量為5 880 t，水下排水量為8 500 t，最大下潛深度1 250 m［6］。該艇采用水滴形線型，雙殼體結(jié)構(gòu)，耐壓艇體直徑9 m，材料為鈦合金。

“麥克”級上裝備的是OK-650B-3 型壓水反應(yīng)堆，屬于蘇聯(lián)研制的第三代壓水反應(yīng)堆，如圖3 所示。該反應(yīng)堆采用緊湊式布置（半一體化），堆芯熱功率接近190 MW，軸功率31626 kW［7］。根據(jù)相關(guān)資料，該反應(yīng)堆的滿功率壽期約為460 d～660 d，換料周期約為7 a～8 a［2］。

圖3 蘇/俄第三代潛艇反應(yīng)堆布置原理圖

“阿爾法”級705/705K 型核潛艇是前蘇聯(lián)第三代攻擊型核潛艇（圖4），采用鈦合金建造，最大潛深達(dá)到900 m，是世界上批量建造的下潛最深、航速最快、噸位最小、自動化程度最高的攻擊型核潛艇?！鞍柗ā奔壥淄Ыㄔ煊?967 年，至1982 年總共建造7 艘。“阿爾法”級的獨特之處在于采用了液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆（BM-40/A 和OK-550），這兩型反應(yīng)堆均為整體組件式半一體化反應(yīng)堆［7］。其中，BM-40/A 堆芯熱功率155 MW，推進(jìn)功率29 420 kW［7］；OK-550 堆芯熱功率250 MW，推進(jìn)功率44 865 kW［2］。

圖4 “阿爾法”級核潛艇

“塞拉”級945/945A 型核潛艇是前蘇聯(lián)/俄羅斯另一型超大潛深核潛艇，極限潛深達(dá)750 m［5］?！叭奔壍慕ㄔ斐掷m(xù)至1994 年，已經(jīng)建造了4 艘，目前仍在俄羅斯海軍服役。

“塞拉”級945 型長107 m，艇寬12.2 m，采用一臺OK-650B-1 型壓水反應(yīng)堆，堆芯熱功率190 MW，軸功率31 626 kW；“塞拉”級945A 型長110.5 m，艇寬10.2 m，采用一臺OK-650M.01型壓水反應(yīng)堆（圖5），堆芯熱功率200 MW，軸功率34 936 kW［7］。

圖5 OK-650M.01 型反應(yīng)堆頂部

除了將核動力裝備于超大潛深戰(zhàn)斗核潛艇外，前蘇聯(lián)/俄羅斯還建造了多型核動力深海工作站，包括“比目魚”級10831型（圖6）、“X 射線”級1851 型和“軍服”級1910 型，這些型號總共建造了7 艘，目前仍有多艘在役。

圖6 “比目魚”級深海核動力工作站想象圖

10831 型潛深可達(dá)1 000 m，攜帶了探測與作業(yè)裝備，可搭載數(shù)名專業(yè)人員，能執(zhí)行深海特種作業(yè)。該艇采用鈦合金建造，水下排水量為1 100 t。裝有一座核反應(yīng)堆，熱功率為10 MW，水下航速為6 節(jié)，人員編制為14 人。

1851 型深海工作站在1986—1995 年之間共建造3 艘，排水量550/1 000 t（水面/水下），主尺度40 m×5.3 m×5 m，工作潛深約1 500 m，水下航速20 節(jié)，裝備一座10 MW的壓水堆，單軸，采用導(dǎo)管式推進(jìn)器。

1910 型共建成3 艘，下水時間分別為1982 年、1988 年和1995 年。其水面排水量1 340 t，水下排水量1 580 t，尺寸為226.4 m×23.0 m×17.0 m，水面航速10 節(jié)，水下28 節(jié)。下潛深度可能達(dá)700 m，用于研究開發(fā)和海底作業(yè)。1910 型裝備一座壓水堆，軸功率7 350 kW。

2 深海核動力應(yīng)用前景

海洋占全球面積的71%，然而人類對海洋的認(rèn)識和利用還極其有限。進(jìn)入21 世紀(jì)，多個國家提出重大的海洋戰(zhàn)略，人類對海洋的研究開發(fā)進(jìn)入快速發(fā)展階段，核動力將發(fā)揮重要作用。

2.1 深?？茖W(xué)研究

海洋是一個復(fù)雜的世界，海洋里有數(shù)十萬種生物，包括動物、植物、微生物及病毒等。海底具有復(fù)雜的地形，包括火山、丘陵等。海洋科學(xué)研究對生物學(xué)、地球物理學(xué)等領(lǐng)域具有重要的作用。隨著人類對海洋研究的深入，深海成為一個越來越重要的領(lǐng)域。核動力可以保障深?？蒲醒b備在水下停留更長的時間、更大的活動范圍，極大地提高科研效率。

2.2 資源開發(fā)

海洋擁有大量的礦產(chǎn)資源，其中石油儲量為1 350 億t，天然氣儲量140 億m3，多金屬結(jié)核儲量3 萬億t，可燃冰儲量為石油天然氣的兩倍。然而，相對于陸上資源，這些礦產(chǎn)的勘探、開采難度極大。例如，多金屬結(jié)核主要存在于3 500 m～6 000 m深的海底，普通的裝備難以到達(dá)如此深度，并且作業(yè)時間、作業(yè)功率都受到較大的限制。

采用核動力的深海裝備在水下的工作時間幾乎不受限制，并且能夠提供較大的功率，可以為深海資源的勘探、開采、運輸以及水下設(shè)備的維護(hù)提供重要的支持。

2.3 事故救援與調(diào)查

全球海洋平均深度3 000 m，最深處超過1 萬m，海上發(fā)生的各種事故（例如馬航MH370 墜海失蹤等）的救援及事故調(diào)查難度較大。核動力應(yīng)用于涉海潛器，將對此類事故的救援及調(diào)查起到巨大的幫助作用。

2.4 海洋防御

我國擁有1.8 萬km的海岸線以及300 萬km2海洋國土，水下國防力量是保護(hù)我國海洋安全不可或缺一部分。目前，我國已擁有一支包括核潛艇在內(nèi)強大潛艇部隊。世界范圍內(nèi)，絕大部分潛艇的作戰(zhàn)深度都不超過500 m［5，8］。然而，500 m 以深的深海領(lǐng)域仍具有重要的軍事意義。例如，NR-1 曾參與美國海軍的水下監(jiān)視與偵查、打撈墜毀的F-14 戰(zhàn)斗機(jī)以及搜尋沉沒的“長尾鯊”號核潛艇等軍事任務(wù)［4］。

3 深海核動力特點及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 深海核動力的特點

在深海領(lǐng)域應(yīng)用核動力，具有巨大的優(yōu)勢。首先，核動力不依賴空氣的特點可以保證其在深海長時間的工作，使深潛器等深海裝備擁有充足的時間完成復(fù)雜的任務(wù)。其次，核動力具有較大的功率，可以滿足深海大功率作業(yè)需求。第三，核動力一次裝滿燃料后可以長時間的運行。第四，深海環(huán)境溫度較低，當(dāng)深度超過1 000 m 時，海水溫度基本在5 ℃以下。如果核動力二回路采用蒸汽郎肯循環(huán)，較低的環(huán)境溫度有利于提高核動力裝置的整體效率。假設(shè)二回路新蒸汽為280 ℃的飽和蒸汽，蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的膨脹做功為絕熱可逆過程。當(dāng)蒸汽在冷凝器的冷凝溫度從30 ℃降到10 ℃時，循環(huán)熱效率將從38%升到41%。

3.2 深海核動力的關(guān)鍵技術(shù)

在深海環(huán)境下，由于海水巨大的壓力等特殊條件，對核動力的設(shè)計提出了特殊的要求。

（1）通海系統(tǒng)設(shè)計。深海核動力裝置的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)及余熱排出系統(tǒng)等均需將熱量排至海水環(huán)境，不可避免的涉及到通海系統(tǒng)。深海環(huán)境對通海系統(tǒng)的設(shè)計影響主要包括通海系統(tǒng)及設(shè)備、閥門、管路的承壓技術(shù)、密封技術(shù)、防腐技術(shù)等［5］。

（2）長壽命堆芯。堆芯壽命指反應(yīng)堆一次裝料后滿功率運行所使用的時間。提高堆芯壽命，可以減少深海核動力裝置在運行期間的換料次數(shù)，增加核動力深海裝備的使用率。減少換料次數(shù)，還可以減少放射性廢物的排出量。并且，換料時一般需要對耐壓殼體進(jìn)行切口，這將對深海裝備的結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生巨大的影響。

長壽命堆芯的關(guān)鍵是設(shè)計長壽命燃料元件，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。反應(yīng)性控制是長壽命燃料元件設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以采用可燃毒物控制與控制棒程序控制結(jié)合的方案，適當(dāng)加大燃料的初始裝載量［2］。

（3）系統(tǒng)及設(shè)備小型化。隨著海水深度的增加，海水壓力增大。在采用相同的結(jié)構(gòu)材料時，潛器的結(jié)構(gòu)重量占排水量的比例越來越大［9］，艙內(nèi)的有效空間和有效負(fù)載將減小。

核動力裝置系統(tǒng)龐大復(fù)雜，面對深海巨大的水壓，小型化是其滿足深海應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。核動力系統(tǒng)及設(shè)備的小型化包含降低重量、減小體積兩方面的要求［10］。需要進(jìn)行小型化設(shè)計的系統(tǒng)及設(shè)備主要包括：反應(yīng)堆的緊湊布置，甚至一體化設(shè)計；小型汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的設(shè)計；小型高效換熱器的設(shè)計；輻射屏蔽的優(yōu)化設(shè)計，在滿足輻射安全的條件下，盡量減小屏蔽結(jié)構(gòu)的體積，降低輻射結(jié)構(gòu)的重量。

（4）高度自動化。深海潛器空間有限，人員工作條件相對惡劣，控制系統(tǒng)需要具有較高的自動化甚至智能化水平，能夠在較少的運行人員和較低的干預(yù)條件下，滿足核動力安全可靠運行的要求［11-12］。

（5）固有安全性。安全是核動力應(yīng)用的前提。尤其是在深海復(fù)雜的環(huán)境條件下，核動力裝置的安全運行關(guān)系到深海潛器能否完成其任務(wù)使命，甚至是整個潛器的安全。

提高一回路的自然循環(huán)能力、采用非能動的安全設(shè)計等措施都能夠在一定程度上提高系統(tǒng)的固有安全性，在事故等條件下降低對人員干預(yù)的要求［11-12］。

4 結(jié)語

核動力發(fā)展至今已有將近80 年的歷史，國外發(fā)達(dá)國家從上世紀(jì)60 年代開始將核動力應(yīng)用于深海，并裝備于多型潛器中，在深海領(lǐng)域開展了大量工作，獲得了包括民用和軍用在內(nèi)的大量極具價值的成果。

目前，隨著海洋開發(fā)利用的深入，核動力以其突出的優(yōu)點，將在深海領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。同時，深海應(yīng)用的特殊條件也對核動力的研究和發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。