（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 上海 200438）

1942年12月，美國(guó)芝加哥大學(xué)建成了世界上第一座反應(yīng)堆，證明了實(shí)現(xiàn)可控鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的科學(xué)可行性，標(biāo)志著核能利用新時(shí)代的開(kāi)始。在第二次世界大戰(zhàn)期間及以后的一段時(shí)間內(nèi)，世界各國(guó)先后建成了一批生產(chǎn)核武器用钚的生產(chǎn)堆和核潛艇用動(dòng)力堆。自20世紀(jì)50年代初以來(lái)，人們利用已有的軍用核技術(shù)建造了以發(fā)電為目的的核電廠，核能利用從軍用轉(zhuǎn)向了民用。經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，核能已經(jīng)成長(zhǎng)為能源和動(dòng)力領(lǐng)域的強(qiáng)大支柱。自從1955年4月世界上第一艘壓水堆核動(dòng)力潛艇——“鸚鵡螺”號(hào)問(wèn)世以來(lái)，不同類(lèi)型的可移動(dòng)核動(dòng)力得到了快速的發(fā)展?？梢苿?dòng)核動(dòng)力為核潛艇、核動(dòng)力航空母艦、核動(dòng)力破冰船、核動(dòng)力深海潛水器、核動(dòng)力航天器、航天核火箭、航天核電源等提供所需的推進(jìn)動(dòng)力［1-6］，在諸多領(lǐng)域或發(fā)揮著巨大作用，或展現(xiàn)了誘人的應(yīng)用前景。

1 船用核動(dòng)力裝置

根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域不同，船舶核動(dòng)力裝置一般分為兩類(lèi)：一類(lèi)為民用船舶動(dòng)力裝置，如核動(dòng)力破冰船、核動(dòng)力客商船和海洋科學(xué)考察船等；另一類(lèi)為軍用艦艇動(dòng)力裝置，如核動(dòng)力航空母艦、核動(dòng)力潛艇和核動(dòng)力巡洋艦等。盡管民用與軍用艦船核動(dòng)力裝置的應(yīng)用領(lǐng)域存在明顯不同，但其結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)用原理總體相似。核反應(yīng)堆中原子核裂變所產(chǎn)生的熱能通過(guò)一回路中的冷卻劑帶走，在蒸汽發(fā)生器中將該熱能傳遞給二回路中的水，所產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，經(jīng)減速后帶動(dòng)螺旋槳航行。

艦船核動(dòng)力裝置的核心部件是核反應(yīng)堆。用于艦船核動(dòng)力的堆型有多種類(lèi)型，但采用最多的是壓水堆。壓水堆艦船核動(dòng)力裝置系統(tǒng)一般由反應(yīng)堆、一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、推進(jìn)軸系幾大部分組成。與核電廠主要的差別在于系統(tǒng)組成中存在的推進(jìn)軸系。

艦船核動(dòng)力裝置與核動(dòng)力電廠相比較，雖然其工作原理基本相同或相似，但工作環(huán)境和運(yùn)行條件，以及運(yùn)行管理和監(jiān)督措施的要求卻存在較大區(qū)別。艦船核動(dòng)力裝置的工作環(huán)境和運(yùn)行條件如下［7］：（1）船舶受海洋條件的影響，易產(chǎn)生搖擺和傾斜；（2）易產(chǎn)生海洋事故，包括碰撞、觸礁和火災(zāi)；（3）船舶速度（負(fù)荷）變化急劇，且幅度大，有時(shí)必須倒航；（4）航行遠(yuǎn)離基地、碼頭，給維修、補(bǔ)給造成困難；（5）船內(nèi)空間有限，所有設(shè)備必須質(zhì)量輕體積??；（6）船上及港口人員密集，所以放射性防護(hù)極為重要；（7）海洋氣候潮濕，且含有鹽分。

艦船核動(dòng)力裝置由于受艦船工作環(huán)境和運(yùn)行條件的影響和限制，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與核電廠也不盡相同。相同的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)涉及裝置的功率、裝置的安全性、裝置的經(jīng)濟(jì)性、裝置工作的可靠性等［8-10］；不同的指標(biāo)有裝置的質(zhì)量、尺寸等機(jī)動(dòng)特性、裝置工作的適航性等。

2 核潛艇

核動(dòng)力潛艇又稱(chēng)核潛艇，具有良好的隱蔽性、較強(qiáng)的自給力、續(xù)航力和較強(qiáng)的前線突擊能力，可用于襲擊海岸設(shè)施和陸上重要目標(biāo)，攻擊大中型水面艦艇和潛艇，以及布雷、偵察和輸送人員等。按戰(zhàn)斗力一般可分為核動(dòng)力彈道導(dǎo)彈潛艇、攻擊型潛艇和巡航導(dǎo)彈潛艇。

2.1 彈道導(dǎo)彈核潛艇

2.1.1 最先進(jìn)的彈道導(dǎo)彈核潛艇

第二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)海軍共發(fā)展了多代核動(dòng)力彈道導(dǎo)彈潛艇。目前在役數(shù)量最多、最為先進(jìn)的便是第四代“俄亥俄”級(jí)核潛艇，由其構(gòu)成了美國(guó)?；鶓?zhàn)略核威懾的主力?！岸砗ザ怼奔?jí)核潛艇長(zhǎng) 170.7 m，寬 12.8 m，吃水 10.8 m，長(zhǎng)寬比為13.3∶1，為拉長(zhǎng)的水滴型艇型，利于在水中高速航行，同時(shí)采用了一座功率大、壽命長(zhǎng)的S8G自然循環(huán)壓水反應(yīng)堆，總功率6萬(wàn)馬力（44129.9 kW），使水下排水量雖重達(dá)18750 t，但水下航速仍可達(dá)到25 kn，由于采用了高強(qiáng)度鋼艇殼，其下潛深度可達(dá)400 m。

2.1.2 排水量最大的彈道導(dǎo)彈核潛艇

俄羅斯是目前世界上保有核動(dòng)力彈道導(dǎo)彈潛艇最多的國(guó)家，現(xiàn)服役總量可達(dá)數(shù)十艘。其中“臺(tái)風(fēng)”級(jí)代表了當(dāng)代彈道導(dǎo)彈核潛艇的先進(jìn)水平，是目前世界上排水量最大的核潛艇。

“臺(tái)風(fēng)”級(jí)艇型尺寸較大，長(zhǎng)170 m，寬25 m，吃水13 m；水下排水量26500 t；動(dòng)力裝置采用兩座330～360 MW的壓水堆和2臺(tái)汽輪機(jī)，輸出功率可達(dá)8萬(wàn)馬力（58839.9 kW）；水上航速19 kn，水下航速26 kn；潛深300 m。與美國(guó)“俄亥俄”級(jí)潛艇相比，其水下排水量增大40%，但艇長(zhǎng)大致相等，艇寬幾乎大一倍，長(zhǎng)寬比約為7：1，這種粗短的流線型使之水下航行阻力較小。

2.2 攻擊型核潛艇

2.2.1 最小的核動(dòng)力攻擊型潛艇

“紅寶石”是當(dāng)今世界上最小的核動(dòng)力攻擊潛艇之一。該潛艇融匯了諸多先進(jìn)的核動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)，裝備了諸多世界一流的武器裝備，所以具有非常獨(dú)特的性能和相當(dāng)?shù)墓敉Α?/p>

“紅寶石”核動(dòng)力攻擊潛艇長(zhǎng)72 m，寬7.6 m，吃水6.4 m；水面排水量2385 t，水下排水量2670 t；最大下潛深度300 m，最大航速25 kn。其具有小型艦艇的優(yōu)勢(shì)，其可在活動(dòng)空間小、情況復(fù)雜、聲波傳播條件差等海域環(huán)境下靈活自如地活動(dòng)，大顯身手?！凹t寶石”雖與大中型核動(dòng)力攻擊型潛艇相比性能上存在有一定差距，但其在機(jī)動(dòng)性、隱蔽性和經(jīng)濟(jì)性等方面卻又令其他同類(lèi)艦艇自嘆不如。

2.2.2 航速最快、潛深最大的核動(dòng)力攻擊型潛艇

在前蘇聯(lián)的攻擊型核潛艇的發(fā)展史上，“阿爾法”級(jí)是一型具有創(chuàng)新意義的潛艇，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)已在其后的“西爾雷”級(jí)艇的設(shè)計(jì)上得到應(yīng)用?！鞍柗ā奔?jí)潛艇建造于1970—1983年間，其獨(dú)創(chuàng)性地采用了鈦合金作艇殼，長(zhǎng)寬比也與以前的核潛艇大不相同，以達(dá)到水動(dòng)力性能最佳狀態(tài)。核反應(yīng)堆采用新型的液態(tài)鉛鉍合金冷卻的中能中子反應(yīng)堆，功率密度為普通反應(yīng)堆的4倍。

這些創(chuàng)新使“阿爾法”級(jí)潛艇在下潛深度和艇速上創(chuàng)下了世界紀(jì)錄，其最大潛深為914 m，最大水下航速為45 kn，這一航速與魚(yú)雷的航速相差無(wú)幾，大大提高了潛艇規(guī)避魚(yú)雷攻擊的能力?！鞍柗ā奔?jí)潛艇的排水量在俄羅斯現(xiàn)有核動(dòng)力攻擊型潛艇中尚屬最小的，水上為2700 t，水下為3600 t，艇長(zhǎng)81.5 m，寬 9.5 m，吃水 7.5 m。

2.2.3 參加海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的核動(dòng)力攻擊型潛艇

“洛杉磯”級(jí)潛艇自1976年首艇服役至今已有30余年的歷史，是美國(guó)海軍技術(shù)上最成功的一級(jí)攻擊型核潛艇，也是目前在役數(shù)量最多的。“洛杉磯”級(jí)是一級(jí)多用途攻擊型核潛艇，可執(zhí)行反潛、反艦、護(hù)航、布雷、偵察、救援等多種任務(wù)，裝備“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈后還可執(zhí)行對(duì)地縱深打擊的任務(wù)。該級(jí)艇長(zhǎng)110.3 m，寬10.1 m，吃水9.9 m；水下排水量 6927 t，水下航速32 kn；最大潛深530 m。動(dòng)力裝置為1座自然循環(huán)壓水堆，主機(jī)為2臺(tái)汽輪機(jī)，軸功率4.5萬(wàn)馬力（33080 kW）。有多艘“洛杉磯”級(jí)潛艇參加了1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，其中2艘首次發(fā)射了“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈。

2.3 巡航導(dǎo)彈核潛艇

“庫(kù)爾斯克”號(hào)屬俄羅斯最大的一型“奧斯卡”級(jí)飛航導(dǎo)彈核潛艇，是其飛航導(dǎo)彈核潛艇的最后一級(jí)，俄海軍將其定為水下一級(jí)核巡洋艦。該級(jí)共有兩型，“奧斯卡Ⅰ”型均已退役，“奧斯卡Ⅱ”型現(xiàn)有多艘在役。“奧斯卡Ⅱ”型的水上排水量為13900 t，水下排水量為 18300 t；長(zhǎng) 154 m，寬 18.2 m，穩(wěn)定翼在內(nèi)的寬度為20.1 m，吃水9.2 m；極限下潛深度為500 m，工作深度420 m。水上航速為15 kn，水下為28 kn。動(dòng)力裝置中，共有2座反應(yīng)堆（各為190 MW）和2臺(tái)汽輪機(jī)，采用雙螺旋槳推進(jìn)。

3 核動(dòng)力航空母艦

目前世界上在役數(shù)量最多的一級(jí)航空母艦，就是 “尼米茲”級(jí)核動(dòng)力航空母艦。該級(jí)航空母艦滿載排水量為91000 t以上?！澳崦灼潯奔?jí)第五艘“林肯”號(hào)由于在建造時(shí)格外加裝了重6000 t的裝甲板，因而其滿載排水量驟增到102000 t?！澳崦灼潯奔?jí)航空母艦的尺寸也相當(dāng)驚人，艦長(zhǎng)330 m，寬76 m，艦體吃水11.3 m，艦體從艦底龍骨到艦橋頂部共高70余m。艦上動(dòng)力裝置采用2臺(tái)壓水反應(yīng)堆，總功率28萬(wàn)馬力（205939.65 kW），最大航速33kn；加一次核燃料可使用 13 a，續(xù)航里程為80萬(wàn)～100萬(wàn)海里。

“尼米茲”級(jí)航空母艦自問(wèn)世以來(lái)，以打擊力強(qiáng)、反應(yīng)迅速、機(jī)動(dòng)性好、兵力投送能力大，始終為美國(guó)海軍和歷屆政府所青睞，經(jīng)常作為“急先鋒”被派往世界有關(guān)海區(qū)，以應(yīng)付地區(qū)沖突或局部戰(zhàn)爭(zhēng)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)海軍就曾出動(dòng)了包括“尼米茲”級(jí)航空母艦在內(nèi)的多艘航空母艦。目前，美國(guó)海軍已有多艘“尼米茲”級(jí)航空母艦在役。

而近年來(lái)登上歷史舞臺(tái)的“福特號(hào)”航空母艦，更是集諸多高新技術(shù)于一體。其同樣采用核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，功率相較“尼米茲”提升約25%，配備有高壓輸電系統(tǒng)，供電能力可達(dá)20萬(wàn)kW，同時(shí)采用了綜合電力推進(jìn)、電磁彈射技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)未來(lái)核動(dòng)力航母技術(shù)發(fā)展起到了重要引領(lǐng)作用。

4 核動(dòng)力巡洋艦

美國(guó)有8級(jí)各種巡洋艦處于在役狀態(tài)，其中5級(jí)為核動(dòng)力。第一級(jí)核動(dòng)力巡洋艦是1956年著手設(shè)計(jì)的“長(zhǎng)灘”級(jí)，其為世界上最早的核動(dòng)力水面艦艇。美國(guó)第一、第二、第三級(jí)核動(dòng)力巡洋艦各只有一艘。到第五級(jí)為“弗吉尼亞”級(jí)，該級(jí)艦滿載排水量 11000 t，標(biāo)準(zhǔn)排水量 8623 t，全長(zhǎng) 178.4 m，寬 19.2 m，吃水9 m；裝有2座性能改進(jìn)提高了的D2G型壓水堆，2臺(tái)汽輪機(jī)，雙軸，功率達(dá)10萬(wàn)軸馬力（73549.875 kW），航速30 kn。

前蘇聯(lián)有一級(jí)核動(dòng)力巡洋艦“基洛夫”級(jí)，首艦“基洛夫”號(hào)；第二艘“伏龍芝”號(hào)。該級(jí)艦長(zhǎng)248 m，寬28 m，吃水8.8 m，滿載排水量28000 t，是2個(gè)壓水堆與石化燃料聯(lián)合的核蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置，采用汽輪機(jī)，雙軸，功率15萬(wàn)軸馬力（110324.8 kW），航速33 kn。該級(jí)艦是前蘇聯(lián)第一代核動(dòng)力水面艦艇，是目前世界上最大的巡洋艦之一。

5 艦船核動(dòng)力技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)

為了研制更高可靠性、更高安全性和更有生命力的核能動(dòng)力裝置，艦船核動(dòng)力在美、俄、法、英等國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)中得到進(jìn)一步發(fā)展，新技術(shù)得到應(yīng)用和推廣。艦船核動(dòng)力技術(shù)最新發(fā)展的趨勢(shì)和特點(diǎn)主要表現(xiàn)在11個(gè)方面。

5.1 壓水反應(yīng)堆依然為潛艇核動(dòng)力的主流堆型

在建堆實(shí)踐中首先被肯定的壓水堆，在發(fā)展中不斷改進(jìn)創(chuàng)新，帶動(dòng)了世界壓水動(dòng)力堆的迅猛發(fā)展，使之成為當(dāng)今各種動(dòng)力堆型中的主流堆型，而且會(huì)是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)。

5.2 核能動(dòng)力裝置的功率規(guī)模不斷增大

鑒于新設(shè)計(jì)和建造艦船的排水量和航速不斷增加的趨勢(shì)，提高反應(yīng)堆功率勢(shì)在必行。核潛艇已經(jīng)從熱功率60 MW、可提供1.5萬(wàn)馬力（11032.48 kW）的軸功率，提高到了熱功率250～300 MW、可提供 6～8萬(wàn)馬力（44129.925～58839.9 kW）的軸功率，航速可達(dá)30～38 kn。核動(dòng)力航母更高，接近13萬(wàn)馬力（95614.8375 kW），航速可達(dá) 30 kn。

5.3 反應(yīng)堆堆芯壽命不斷延長(zhǎng)

核能動(dòng)力裝置改良研究的發(fā)展方向是極力促進(jìn)活性區(qū)壽命不斷延長(zhǎng)，其目標(biāo)是爭(zhēng)取與艇同壽命，使核潛艇在整個(gè)服役期內(nèi)不必?fù)Q料。反應(yīng)堆堆芯的壽命已經(jīng)從換料周期為2～3 a，提高到10 a。法國(guó)建成并已裝艇的CAP和K-15壓水堆堆芯壽命都長(zhǎng)達(dá)25 a，使得一爐料可供核潛艇全壽期使用，大大提高了核潛艇的在航率和戰(zhàn)斗力。美國(guó)的“弗吉尼亞”級(jí)多用途核潛艇裝備有S9G反應(yīng)堆，其堆芯也可在潛艇全壽期內(nèi)持續(xù)使用。

5.4 不斷提高反應(yīng)堆自然循環(huán)能力

核能動(dòng)力裝置的自然循環(huán)能力是固有安全性好的標(biāo)志，而且更重要的是可以消除主循環(huán)泵所產(chǎn)生的噪音，提高核潛艇的隱蔽性。自然循環(huán)壓水堆已在“洛杉磯”級(jí)攻擊型核潛艇及“俄亥俄”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇上得以配裝。同樣正在探尋一回路冷卻劑作100%自然循環(huán)的一體化反應(yīng)堆應(yīng)用的可能性。

5.5 反應(yīng)堆堆芯采用板狀燃料元件

核能動(dòng)力裝置的壓水動(dòng)力堆中，顯著的變化趨勢(shì)是從采用棒狀燃料元件改用板狀燃料元件，來(lái)提高堆芯的功率密度，增加緊湊性，滿足一體化設(shè)計(jì)的需要。

5.6 采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一體化堆結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠，其自然循環(huán)能力的額定功率可達(dá)60%，在主泵停轉(zhuǎn)后仍能以中低速航行，大幅降低了巡航時(shí)的噪聲，并提高了動(dòng)力裝置的固有安全性。潛艇核動(dòng)力裝置的發(fā)展從分散布置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)緊湊式布置，最后建成一體化核能動(dòng)力裝置。法國(guó)是世界上率先采用一體化自然循環(huán)壓水堆裝備核潛艇和核動(dòng)力航空母艦的國(guó)家。

5.7 采用高效直流蒸汽發(fā)生器

核能動(dòng)力裝置中采用的蒸汽發(fā)生器，出現(xiàn)了高效列管式直流蒸汽發(fā)生器、盤(pán)管式管外直流蒸汽發(fā)生器、螺旋管式管內(nèi)直流蒸汽發(fā)生器等多種不同類(lèi)型，以高效、緊湊、可靠等為目標(biāo)，開(kāi)展進(jìn)一步的研發(fā)工作。

5.8 采用多種降噪措施提高隱蔽性

潛艇重要的戰(zhàn)術(shù)性能之一是隱蔽性，隱蔽性在很大程度上決定于其航行時(shí)所產(chǎn)生的噪聲。通過(guò)選擇具有高自然循環(huán)能力的一體化技術(shù)，使用依據(jù)超導(dǎo)原理制造的電力推進(jìn)器以及泵噴射推進(jìn)器，采用核能動(dòng)力裝置的模塊化結(jié)構(gòu)，完善結(jié)構(gòu)布局和核能動(dòng)力裝置的最優(yōu)化設(shè)計(jì)等多種手段，已經(jīng)卓有成效地把彈道導(dǎo)彈核潛艇的噪聲級(jí)從1960年“華盛頓”級(jí)的156 dB降低到1981年“俄亥俄”級(jí)的96 dB。

5.9 開(kāi)發(fā)性能更優(yōu)良的全新反應(yīng)堆堆型

目前，世界上已開(kāi)發(fā)并得以利用的反應(yīng)堆堆型有輕水堆（包括壓水堆和沸水堆2種）、重水堆、高溫氣冷堆等，且以輕水堆為主。有前途的方案為液態(tài)金屬冷卻堆、球床過(guò)熱水冷堆等。鈉冷中子堆、鈉鉀冷卻快堆、鉛鉍冷卻快堆等堆型各有特點(diǎn)，其很多特性非常適合于潛艇的要求，因而用作潛艇動(dòng)力堆堆型的可能性得到關(guān)注。但考慮到其安全可靠性差、易出事故或嚴(yán)重故障、不便于維修等諸多因素，在工程實(shí)踐和運(yùn)行實(shí)踐中尚未得到推廣。對(duì)于球床過(guò)熱水冷堆，雖然燃料元件的制備和相容性等存在不少有待解決的技術(shù)問(wèn)題，但系統(tǒng)簡(jiǎn)單和熱效率大幅提高的性能特點(diǎn)使其受到極大關(guān)注。

5.10 通海設(shè)備的工作深度不斷增加

核能動(dòng)力裝置通海設(shè)備的工作深度初期均為300 m左右，而后亦在不斷增加，以“洛杉磯”級(jí)為例，其通海深度已增至450 m，“海狼”級(jí)則已達(dá)到610 m。

5.11 采用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

將最優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到核能動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)中，使裝置的總體設(shè)計(jì)趨于最佳化，有效提高核能動(dòng)力裝置的機(jī)動(dòng)性能。

6 結(jié)論及展望

艦船采用核動(dòng)力裝置，具有功率大、續(xù)航性好、節(jié)能環(huán)保的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)又無(wú)需耗費(fèi)氧氣且隱蔽性出色，從而特別適用于潛艇動(dòng)力裝置，在航空母艦及巡洋艦等大型水面艦艇領(lǐng)域同樣有著較好的應(yīng)用前景。但考慮到其較高的技術(shù)及成本要求，針對(duì)反應(yīng)中產(chǎn)生的放射性物質(zhì)的處置以及艦船自身的報(bào)廢處理均是隨之而來(lái)的重要問(wèn)題。

就目前而言，世界范圍內(nèi)充分掌控艦船核動(dòng)力技術(shù)的國(guó)家依然寥寥無(wú)幾，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，艦船動(dòng)力裝置依然會(huì)以常規(guī)動(dòng)力裝置作為主要推進(jìn)動(dòng)力來(lái)源。但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，核動(dòng)力裝置終將在艦船動(dòng)力領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。