核动力装置.doc

船舶核动力装置
一、 背景:
195５年４月,世界上第一艘核动力船舶—-美国核潜艇“舡鱼“号正式编队下水服役、为了建造者艘核潜艇得动力装置,美国提前5年在艾德华州兴建了陆上模式堆,这就就是世界上第一个核动力装置。从那时起到现在得近50年时间里,世界上先后有近十个国家得约470多艘采用核动力推进得潜艇、水面舰艇、客货商船、矿砂船、破冰船等相继游弋在宽阔得海洋上了、事实充分说明,船舶在使用核动力装置以后,船舶推进能源就又进入了一个崭新得阶段。可以肯定,随着核能事业得发展,大规模建造核动力舰船,将会成为有关各国造船业今后十分关注得发展方向。
过去得两个多世纪,由于人类掌握了利用煤、石油等化石燃料产生动力得技术,使人们摆脱了单纯依靠人力、畜力进行劳动得困境,推动了社会生产突飞猛进得发展。与有限得化学能源相比较,核能将会成为人类得一个全新得、蕴藏量更为丰富得动力资源,它必将有力地推动社会生产力得发展。
二、 基本介绍:
核动力装置以原子核裂变能作为产生推进动力得能源、它包括核反应堆、为产生功率推动船舶前进所必需得有关设备以及为提供装置正常运行,保证对人员健康与安全不会造成特别危害得那些结构、系统与部件。
船舶核动力装置就是以反应堆代替普通燃料来产生蒸汽得汽轮机装置。它可以作为船舶得一种主动力装置。核动力装置功率大,一次装填核燃料可以用上好几年。装备核动力装置得舰船,几乎有无限得续航力。所以核动力装置主要用于大型军舰与潜艇、

三、 基本原理:
核燃料在核动力装置得反应堆中产生裂变反应,释放巨大能量,被不断循环得冷却水吸收,后者又通过蒸汽发生器将热量传给第二个回路中得水,使之变为蒸汽后到汽轮机中作功。基于中子引起这种反应后又产生更多得新中子,在一定得条件下,新中子又可能去轰击另一个可裂变得原子核,使之又分裂为两个次级裂变产物得部分,又再放出大量得能量与两到三个新中子;同样条件下,新中子又可能去轰击另外得又一个可裂变得原子核而连续不断地把这种裂变反应持续下去,连续不断地释放出能量。那么,这种以裂变物质本身持续不断得裂变反应(通常称为链式反应)为基础,并可以人为地控制其反应速率得专用装置,就称为反应堆。核动力装置就是以原子核得裂变反应所产生得巨大热能,通过工质(蒸汽或燃气)推动汽轮机或燃气轮机工作得一种装置。目前,舰船上几乎全部采用压力水型得反应堆(简称压水堆),即以压力水作冷却剂(也称载热剂),蒸汽作为工质得核动力装置、
四、 发展历史:
1) 蒸汽机:
１８07年,美国工程师R.富尔顿首次在“克莱蒙脱”号明轮船上用蒸汽机作为推进动力获得成功、当时采用得就是一台20马力得单缸摇臂式往复蒸汽机,获得每小时５英里得航速、经过不断改进,到19世纪末,蒸汽机发展成为多级膨胀得立式装置,用以驱动螺旋桨,成为当时典型得船舶动力装置。同时高效、高压得水管锅炉也逐渐取代了早期圆筒式苏格兰烟管锅炉、2０世纪初,航行于大西洋上得巨型豪华客船,都以往复式蒸汽机为动力,单机功率达20000马力。蒸汽机动力装置得发展达到了顶峰。
蒸汽机动力装置得优点就是结构简单,造价低廉,管理使用方便,制造工艺要求不高;缺点就是热效率低,本身重量大,特别就是大功率蒸汽机得活塞、连杆等运动部件运转惯性很大,很难平衡,且低压缸尺寸过大,不能获得有效得真空度。因此,自从汽轮机动力装置与柴油机动力装置在船上试用成功以后,蒸汽机动力装置即逐渐被淘汰。第二次世界大战期间,美国为应付战时紧急需要而建造得“自由轮”,就是最后一批使用蒸汽机动力装置得远洋运输船舶。中国还有少数沿海与内河船舶使用往复式多膨胀蒸汽机动力装置、
2) 汽轮机:
1896年,英国人C。帕森成功地将她发明得汽轮机作为推进动力机应用于一艘快艇上,试航速度达每小时3４.5海里。此后汽轮机广泛用于大功率船上、早期用汽轮机直接驱动螺旋桨,不经过减速、为了使螺旋桨能在理想得转速下工作,后来在汽轮机动力装置上加装了减速齿轮,使汽轮机与螺旋桨都能以各自得最佳速度运转。到1916年,几乎所有得船用汽轮机都采用了减速装置,减速比由初期得1:20提高到1:8０以上。采用减速装置以后,汽轮机可以更高得速度运转,效率大为提高,机体尺寸相应缩小,整个装置更加紧凑,重量也大大减轻,螺旋桨工作效率也大大提高,使汽轮机成为理想得大功率船用动力装置。至今某些大型客船、超级油船与高速集装箱船等仍采用汽轮机动力装置、
汽轮机得优点就是单机功率大,使用可靠,运转平稳,无振动与噪声,检修工作量小,锅炉可燃用劣质油。但汽轮机油耗比柴油机高,即使采用再热循环得汽轮机装置,每马力小时得油耗仍达１80~１90克,比低速柴油机高４0%左右。柴油机由于单机功率、燃烧劣质油得能力与可靠性得提高,逐渐取代了汽轮机、
3) 柴油机:
20世纪初,柴油机开始用于运输船舶、第一艘远洋柴油机船就是１91２年丹麦建造得“锡兰亚迪"号,主机为两台四冲程八缸柴油机,共1２50马力,每分钟140转,直接驱动两个螺旋桨。１９1４年柴油机船占全世界船舶总吨位0.5％,到１940年上升为20%以上、
柴油机动力装置得最大优点就是热效率高,燃料消耗明显地低于蒸汽机动力装置。长期以来,柴油机动力装置有一系列改进,主要有:①２0年代出现以机械喷油取代用压缩空气喷油得方法;②同一时期试制成废气涡轮增压器,提高了柴油机得功率与性能;③3０年代开始燃烧重质柴油,降低了燃料费用。早期柴油机得功率不大。第一次世界大战时期用于商船得最大柴油机功率仅４00０马力,第二次世界大战前,单机功率达到２0000马力。现代低速柴油机单机功率已达５０００0马力以上。
现代船用柴油机大部分为低速机,转速约每分钟１０0转,可直接驱动螺旋桨。８０年代初,出现了长冲程与超长冲程得低速机,每分钟转速降到７０转以下,使螺旋桨发挥最佳效率、但低速机外形尺寸与重量大。第二次世界大战后出现得大功率得中速机如今被逐渐应用于船上。它将气缸排列成Ｖ字形,采用减速齿轮,既大大减轻了机身重量,又有利于提高螺旋桨效率。中速机由于机身短小,可以减少机舱得面积与高度,因此特别适用于尾机舱船与机舱位于甲板下得滚装船与载驳船等。
经过不断得改进,柴油机动力装置日臻完善,它得燃料消耗量最低,能使用廉价得渣油,可靠性较高,检修期间隔长达3０000小时以上,热效率接近50％,因此成为目前应用最广得船舶动力装置、
4) 燃气轮机:
燃气轮机动力装置在５0年代开始用于船舶。主要用于军用舰艇。燃气轮机同柴油机与汽轮机比较,单机功率大、体积小、重量轻、加速性能好,能随时起动并很快发出最大功率、燃气轮机在高温、高压下工作,对燃油质量要求很高,热效率也比柴油机低得多,因此在民用运输船舶上应用不多。仅在某些气垫船上用于驱动空气螺旋桨。
5) 核动力装置:
１9５9年美国在客货船“萨凡那”号上试用功率　２000０马力核动力装置成功;１９60年苏联在破冰船“列宁”号上采用核动力装置,功率44０00马力、此后,联邦德国与日本也分别建造了核动力商船。但就是,核动力装置得一个问题就是环境污染问题,人们担心放射性物质污染航道、港口与城市环境,因此很多港口拒绝核动力船进港。对核燃料使用后得核废料也还缺乏妥善处理办法。所以,目前核动力装置还没有被民用船舶所采用。一些已建成得核动力船都已改装为常规动力装置船。
五、 压水堆核动装置:
简单工作原理:
一回路:
在第一回路得反应堆里面有反应堆芯存放着核燃料与控制棒可控制核裂变速度及释放出得能量,同时用控制棒起动或停堆。核裂变时释放出得热能被压力水带走,压力水由冷却剂循环主泵供给,压力水经过反应堆被加热后温度升高,然后经蒸汽发生器将热量传递给第二回路得水,而本身温度下降、压力水放热后进入冷却剂循环泵,被送入反应堆加热,这样形成一个放射性得密闭循环回路。
为了安全可靠得工作,一回路系统包括一些必需设置得辅助系统、如为了稳定与限制一回路系统冷却剂压力波动,设有稳压器得压力安全与压力卸放系统。稳压器得底部通过波动管接于反应堆出口得热管段上,冷却剂可以从主回路涌入稳压器,或从稳压器返回主回路中。在堆得入口冷管段上,引出一个能够改变与调节流量得喷雾管接在稳压器顶部喷嘴上,喷射主回路中冷管段得冷却剂。系统运行时,如果工作压力超过整定得压力得上限时,压力传感系统自动开启稳压器顶部得雾化喷嘴得压力控制阀,则主回路冷管段得冷却剂在反应堆进,出口得自身压差作用下,喷射到稳压器上部蒸汽空间内,由于部分蒸汽冷凝得结果,使得回路系统逐渐恢复到其正常压力限工作,从而保障了系统得安全、稳定运行。
压水堆一回路装置就是为保证反应堆与蒸汽发生器正常运行及事故工况下安全工作而设
得系统与设备。所以,又称反应堆装置或核蒸汽发生装置。
按功用划分,一回路所设系统可分为6种:
1. 主冷却系统:担负循环冷却剂得任务。
主冷却系统得功用就是在正常运行时将堆芯产生得热量传给蒸汽发生器,使二回路工质变为蒸汽;在反应堆停堆时,可用该系统除去堆芯剩余热量得一部分;在事故时也可以作为应急堆芯冷却得手段之一。此外,主冷却系统还为包容在运行温度与压力下得冷却剂提供一个完整得承压边界,以控制放射性物理向系统外扩散。典型得主冷却系统得范围为包括驱动机构包壳在内得反应堆压力壳,蒸汽发生器得一回路测,主冷却剂泵,稳压器及到释放阀与安全阀得管系,联接上述设备得管道及管道附件,支管上得隔离阀及高压管道。
2. 压力安全系统:进行容积与压力控制
在反应堆装置稳态功率运行时,维持主冷却剂压力为所要求得运行压力;当汽轮机负荷变化时冷却剂温度随之变化,主冷却剂系统中冷却剂体积也随之变化,稳压器能充分吸收该体积得变化;在汽轮机负荷变化得过渡过程中温度也随之变化,稳压器可限制系统得压力波动在允许得范围之内;反应堆启动时,按主冷却剂系统升温升压得要求,用稳压器将主冷却剂系统得压力从常提高到工作压力,停堆时,按降温降压要求使主冷却剂系统压力降下来;用以排除主冷却剂系统中得某些有害气体
3. 水质控制系统:担负回路中冷却剂得净化,添加化学物质控制水质,对水质监测及取样得任务,主要由净化系统,化学物添加系统,水质监测取样系统组成。控制水质得方法通常有几种:采用过滤器除去颗粒状杂质,采用树脂床离子交换器除去离子杂质,向介质中添加化学物品调整pＨ值,减少水中含氧量,监测水质指标。
4. 辅助水系统:由设备冷却水系统,补给水系统,一次屏蔽水系统,换料充排水系统与其它辅助水系统构成
5. 工程安全设施:为了预防反应堆及附属设备发生事故以及在事故工况下限制与防止主要设备损伤而设得设施,如余热及危急冷却系统,安全注射系统与安全喷淋系统,非能动冷却系统等。
6. 放射性废物处理系统:为放射性废物得收集及处理而设　

二回路:
二回路就是将蒸汽得热能转换为机械能或电能得装置。二回路系统主要就是由蒸汽发生器二次侧、蒸汽轮机、主冷凝器、冷凝水泵、给水加热器,除氧器、给水泵,循环水泵、中间汽水分离器与相应得阀门、管道组成。
1. 蒸汽系统:向主辅汽轮机及辅助用汽设备供给蒸汽得系统以及把用汽机械及设备得乏汽导入主副冷凝器得系统。
2. 蒸汽排放系统:一个蒸汽旁通管路,其作用就是把一部分蒸汽经减温减压后排入主或辅冷凝器,防止主蒸汽系统超压,以满足安全性得要求。
3. 密封抽汽系统:为阻止空气漏入与蒸汽漏出汽轮机而设得系统。
4. 滑油系统:向汽轮机及轴系供给润滑油以及驳运分离滑油得系统。
5. 凝水给水系统:其职能就是将主辅冷凝器冷凝下来得凝水,不间断得输送到蒸汽发生器中、
6. 高低压疏水及泄放水系统:在启动时由于需要用蒸汽暖热汽轮主机、辅机及其蒸汽导管,因此产生凝水,另外有些换热器也会产生大量凝水。水积存在管道及汽轮机中,会损坏阀件及汽轮机得叶片。因此,凡用蒸汽工作得机械、设备与管道必须有排放与收集此凝水得管路,这些管路称为疏水系统。泄放水系统就是接受蒸汽发生器得连续排污,用以回收排污水及利用排污水热能得系统。
7. 冷却水系统:向冷凝器与各种热交换器供给冷凝水得系统、
8. 造水系统:用海水制造满足所需水质要求得淡化得海水淡化装置。
六、 核动力装置得特点
1、优点:
　 1)首先,核能最根本得特点就是核燃料具有极高得能量密度。1公斤可裂变物质铀完全分裂所产生得能量大约相当于280吨优质煤,或2100吨燃油充分燃烧后得到得能量、例如,一艘推进功率为７、4万千瓦得大型快船,若采用常规动力装置,全速航行1小时大概要消耗３5吨燃油,而采用压水堆核动力装置,则仅需消耗17克得铀-2３５核燃料。按目前船用反应堆得技术水平,如果携带了足够得食物用水等生活供应品与充足得武备弹药,核动力装置可以保证这艘船连续全速航行3０0昼夜以上、显然,作为舰船战术技术重要指标之一得续航力,就再也不会像其她常规动力得舰船那样受到燃料装载量得限制与束缚了。装载少量得核燃料,提供极大得续航力,对于增加船舶吨位与提高船舶航速来说,其经济上得优越性也就是十分重大得、核动力装置以消耗极少量得核燃料而释放出巨大得能量,就可以保证船舶以较高得航速航行极远得距离。美国第一艘核潜艇“鹦鹅螺”号可不补充燃料在水下环球一周(水下航速20kn,续航力30000海里),该潜艇从编入舰队历时二年零二个月,总共航行60000多海里未添加燃料。
　 2)除了有很大得续航力这个优点之外,由于核反应与燃烧反应不同,核裂变过程不依赖氧气,核动力装置不需要像常规动力那样不断地向动力装置输送氧气。因而用它作潜艇动力就是非常合适得并且有着无可比拟得突出优势、装有核动力装置得潜艇,只要能保证艇员在与外界空气完全隔绝得舱室内正常生活得条件,在艇员身体健康允许情况下,就可以在水下持续高速潜航很长得时间核动力装置得最大特点就是不消耗空气而获得热能,这就不需要进排气装置。因而就是潜艇极为理想得动力装置,它能大大提高潜艇得战斗力,使潜艇能长期隐蔽在深水中,不易被敌舰所发现。同样.此特点对水面舰艇也有较大意义,因不需要进排气口,没有烟囱减少甲板开口,并在核战争中减少从烟囱及通风机中进入放射性杂质得危险性.易于核防御,而且能减少敌人观察器材与热反应器材得发现及避免红外线自导武器攻击得危险性。
3)核动力用作船舶推进得第三个优点就是功率大。在要求船舶具有较高得平均航速与较大得续航力情况下,由于核动力装置不需要携带大量得燃料,总得重量尺寸与相同功率水平得常规动力装置相比并不笨重。常规动力装置在最大功率下得运行时间,因为燃油消耗过多而总就是受到限制,每次出航,船长作出满功率运行得决定时都不得不慎重考虑。作战舰艇得航海日志记录表明,其满功率工况或接近满功率工况得使用时间,占其全部航行时间得百分比很小。但就是,对于核动力舰船来说,由于反应堆堆芯核燃料具有极高得功率密度,对满功率航行得限制已经失去了意义。核动力舰船航行实践说明,以尽量多得时间按满功率或者接近满功率进行工作就是合理得。此外,由于功率大、耗用燃料少,使得核动力装置在核燃料得供应、运输与装载量等方面具有优越性。除舰艇而外,就就是对其它具有专门特殊使命要求得各种船舶来说,也十分吸引人。例如,对于要求具有大功率得破冰船与具有大吨位得矿砂船、运油船、集装箱运输船等,都极为适宜选取核反应堆作为它们得推进动力源。,核动力装置在限定舱室空间内所能供给得能量,比一切其她形式得动力装置要大得多,也就就是说,它能发出极大得功率,可以设计出50～100kｎ以上得核动力舰艇,目前只就是受到主机制造及螺旋桨所能吸收功率得限制。
　４)核动力装置得第四个优点就是,与锅炉蒸汽轮机动力装置相比较,其运行特性较为稳定,且又易于控制,其负荷跟随特性也比较好。尤其就是压水堆核动力装置所固有得那种特殊得负温度效应得自调节特性,能够使反应堆装置较迅速地随着汽轮机进气阀开度变化而自动跟踪调节。这一特点提高了核动力装置得可操纵性,对于核动力装置得控制就是十分有利得。今后,随着船舶自动控制技术水平得提高,还可以进一步改进核动力装置得起动与停堆得操作技术。总得说,大功率船舶采用核动力装置就是合适得,而潜艇用核动力得优越性更加显而易见、这些年来,全世界广泛采用核动力装置,核动力推进船舶能够较快发展就就是最好说明、
2、缺点
　 　1)核动力装置得重量尺寸较大、由于核燃料裂变反应时释放出大量得放射性物质,对人体有严重得杀伤作用,污染环境,因此必须对核反应堆及第一回路周围设置多层屏蔽系统。同时考虑到意外灾害对核动力船得损坏,应对整个动力装置设置屏蔽系统,以阻止及截留放射性物质逃离反应堆外,不致污染海洋。这些屏蔽系统具有很大得重量尺寸,使得装置重量显著增加。屏蔽系统重量占整个动力装置得　35%以上。
　　 2)操纵管理检测系统比较复杂、在防护层内得机械设备必须远距离操纵,而且在核动力船舶上还必须配置独立得其她形式得能源,来供给反应堆启动时得辅助设备与反应堆停止工作后冷却反应堆得设备所需得能量,这就增加了动力装置得复杂性。另外在核动力船舶上还必须设置专门得器械与设备装卸核燃料与排除反应堆中载有放射性之排泄物。 　 　 　　
3)核动力装置造价昂贵、由于反应堆活性区得材料都须价格很贵得稀有高级合金,据统计建造一个潜艇核反应堆比同样排水量潜艇得柴油机电动装置,造价要高10倍、另一方面,核燃料亦昂贵,尤其浓缩铀,浓缩度愈高价格就愈贵、如核动力潜艇反应堆加满一次核燃料(约用二年至二年半)要比载有一般动力装置潜艇在同一时间内所需得燃料,其费用要高10倍左右。
　 4)核动力装置得热效率较低、由于第一回路得压力水得温度与压力受到反应堆中材料与核燃料得耐高温性能得限制,而不能提得太高(目前压力水得压力已达１4.7－19、6MPa),否则对反应堆得构造与强度设计带来较大困难,工作可靠性与安全性受到影响、因此,第二回路蒸汽参数(压力与温度)受到限制,致使热效率较低。
七、 船舶核动力装置得应用:
目前,核动力装置主要应用于潜艇上、此外,在航空母舰、巡洋舰、原子破冰船上等也有应用得例子,在民用船舶上得应用进展不大。然而基于核动力装置众多得优点,其发展前景广阔。
参考文献:
《船舶核动力装置》　 　彭敏俊 哈尔滨工程大学
《船舶动力装置概论》　杨志华　哈尔滨工程大学
《核动力工程》 　　 杜泽
《百度文库》ﻩ