船舶核动力装置.pdf

1船舶核动力装置船舶核动力装置核工程一班核工程一班 200820201111 施施锦强锦强核动力装置以原子核的裂变所产生的巨大能量通过工质（蒸汽或燃气）推动汽轮机或燃气轮机工作的一种装置。其工作原理是：核燃料裂变释放出的热量，由流经堆芯的冷却剂(即 100 多个大气压的压力水)带出堆外，送进一回路系统。一回路系统，包括主系统和若干个辅助系统，可将反应堆核燃料裂变释放出的热能传给二回路给水使之产生高压蒸汽。主系统由稳压器、蒸汽发生器、冷却剂泵和主管道构成，并与反应堆压力容器连接构成密闭回路。反应堆冷却剂是一回路的压力水，由冷却剂泵将其打入压水反应堆，在堆芯吸收核燃料裂变释放出的热量后，流出堆外进入蒸汽发生器，通过蒸汽发生器传热管的管壁面，把热量传给蒸汽发生器中二回路给水，并使之变成蒸汽。放掉热量后的低温冷却剂，从蒸汽发生器出来后，在冷却剂泵的驱动下，再次被打入压水反应堆，再吸收堆芯热量后，再出堆，如此循环往复运转。辅助系统用于保障反应堆和主系统的正常运行。一回路系统带有强放射性，设备布置按放射性强弱进行分区，以利操作和监测，并有坚厚的屏蔽设施。二回路系统，主要由汽轮机、冷凝器、给水泵和管道以及若干辅助系统构成。其功用是将蒸汽的热能转换为汽轮机转动的机械能或电能。二回路的给水在一回路的蒸汽发生器中吸收一回路冷却剂从堆芯带出的热量，变成蒸汽，通过主蒸汽管，进入汽轮机，推动叶轮作功；排出的蒸汽进入主冷凝器冷凝成水后，经给水泵再送到蒸汽发生器变成蒸汽，进入汽轮机，如此循环，使汽轮机持续工作。汽轮机组的机械能，或汽轮机发电机组的电能转换的机械能，经传动装置、轴系，传递给螺旋桨，以推动舰艇前进。国外概况 自 1954 年第一艘核动力潜艇问世以来，核动力装置技术获得了迅猛的发展。目前，除核潜艇外，现役的核动力舰艇还有巡洋舰、驱逐舰和航空母舰，这些核动力舰艇主要集中在美国和俄罗斯。一、舰艇核动力装置的优点 1、核动力装置使核潜艇能在水下长期连续航行。核动力装置以核能为能源，核裂变时不需要空气，因此核潜艇能在水下长期连续航行，其隐蔽性远远超过常规动力潜艇。2、续航力不受限制。核反应堆一次装料，可运行几年甚至几十年，如美国正在建造的弗吉尼亚级潜艇上使用的 S9G 反应堆，其寿命可达 33 年。从而使核潜艇具有无限的续航力。3、大功率。现在已运行的舰艇动力反应堆，单堆功率在 30300 兆瓦（MW）之间，有的核动力舰艇（如航空母舰）装有多个反应堆，强大的动力使得这些庞然大物能以2050 节的高航速航行。二、国外舰艇核动力装置的应用概况 2目前，国外有美国、俄罗斯、英国和法国拥有了核动力潜艇，美国和法国拥有核动力航母，美国和俄罗斯拥有核动力巡洋舰。1、美国核动力装置的情况 美国的舰艇核动力，基本上是在西屋公司和通用电气公司两大企业之间的竞争中发展的。西屋公司设计和建造的是 SW 系列包括一座陆上模式堆 S1W，及S2W、S3W、S4W、S5W、S5Wa、S5W-、S6W 等装艇堆。通用电气公司设计和建造的是 SG 系列，包括 S1G、S3G（双堆）、S5G、S7G、S8G 六座陆上模式堆和S2G、S4G、S5G、S6G、S8G、S9G 等装艇堆。由燃烧公司设计和建造的是 SC 系列，只建造了一座陆上模式堆 S1C 和一座装艇堆 S2C。所有反应堆中，除 S1G和 S2G 以外，都是压水堆。美国舰艇核反应堆，无论是 SW 系列还是 SG 系列都采用板状燃料元件。2、俄罗斯/前苏联舰艇核反应堆的发展。俄罗斯/前苏联舰艇核反应堆的发展按时间大致可分为四代。第一代为 50 年代至 60 年代中期，研制船用压水堆核动力装置，建造了 BM-A 型陆上模式堆，反应堆为双流程，热功率为 75MW，轴功率 1.75 万马力，采用盘管式管外直流蒸汽发生器，主要装备于 H 级和 E-级弹道导弹核潜艇、E-级飞航导弹核潜艇、N 级攻击型核潜艇。同时研制的液态金属冷却剂（铅-铋合金）快中子反应堆也建造了 PM-1 型陆上模式堆，热功率为 74MW，轴功率为 1.75 万马力，装备于阿尔法级攻击型核潜艇。第一代核动力装置的压水堆和液态金属冷却堆分别建造了陆上模式堆。第二代核动力装置为 60 年代至 70 年代末研制，为紧凑式分散布置，热功率为177MW，轴功率 4 万马力，反应堆改为单流程，简化了堆内结构，采用了螺旋管式管内直流蒸汽发生器。主要装备于 Y 级和 D 级弹道导弹核潜艇、C 级飞航导弹核潜艇、V 级攻击型核潜艇。第三代核动力装置为 80 年代初至 90 年代末期研制，是第二代的改进完善，初步实现了通用化、模块化设计，增加了可靠性和可维修性。反应堆仍为紧凑布置，热功率为 177190MW，轴功率为 44.5 万马力，采用了列管式直流蒸汽发生器。主要装备于台风级弹道导弹核潜艇、奥斯卡级飞航导弹核潜艇、S 级和阿库拉级攻击型核潜艇。在此期间，前苏联还研制了水面舰艇用的压水堆，功率为 300MW，装备于基洛夫级核动力巡洋舰上。90 年代至下世纪初研制、建造的北德文斯克级攻击型核潜艇上使用的反应堆仍为紧凑布置压水堆，采用了直管式高效直流蒸汽发生器。是第四代反应堆，结构与第三代基本相同，但安静性有了飞跃性改进。总的来说前苏联的舰用核反应堆基本上都采用了压水堆。根据装艇技术要求不同，装置稍有差异。3、英国舰艇核动力装置的发展 英国于 1958 年在购买的美国 S5W 潜艇压水堆的基础上，设计建造了陆上模式堆PWR-1。通过 PWR-1 模式堆，成功地研制了 A、B、Z 三种型号的堆芯，分别装备于勇士级、快速级和特拉法尔加级攻击型核潜艇和决心级弹道导弹核潜艇。1987 年，英国建成第二代潜艇动力堆 PWR-2 的陆上模式堆 STF-2 并投入运行，研制成功了 G 型堆芯，已装备前卫级弹道导弹核潜艇。34、法国舰艇核动力的发展 法国 1960 年开始建造 PAT 陆上模式堆。PAT 型分散布置压水堆通过蒸汽透平、减速齿轮带动螺旋桨，轴功率为 1.6 万马力。新研制的 K-15 型自然循环一体化压水堆，单堆功率为 150MW，轴功率为 4.1 万马力。该堆已装备凯旋级弹道导弹核潜艇和戴高乐号核动力航母。1971 年开始建造攻击型核潜艇上使用的 CAP 型陆上模式堆，燃料元件采用棒状。1983 年开始服役的红宝石级攻击型核潜艇装备了 CAS-48 一体化压水堆，热功率为 48MW，轴功率为 9500 马力，燃料元件采用板状。三、核动力装置技术的发展趋势 1、提高核安全可靠性。提高核反应堆的安全性是各国发展的重点，主要有以下几个方面：（1）提高反应堆的固有安全性。（2）提高反应堆的自然循环能力。目标是在额定功率下，可在全船断电、冷却剂断流等情况下，保证堆芯的安全，并可在停堆后依靠自然循环导出堆芯余热。（3）应用非能动安全系统，彻底解决安全系统只能依靠艇上电力才能投入使用的问题，使核动力装置在各种事故条件下，不需人为操作，能自动保证反应堆的安全。（4）提高反应堆的自动控制水平，减少误操作。2、增长堆芯寿命 反应堆一次装料所使用的时间称为堆芯寿命。核潜艇反应堆采用长寿命堆芯可以减少艇的换料次数，提高潜艇的在航率，从而提高战斗力。减少更换核燃料的次数，还可以减少放射性废物的排出量，减少对艇壳进行大切口的次数，提高核燃料利用率等。长寿命堆芯的关键是设计长寿命燃料元件，研制耐腐蚀、耐辐照材料。国外潜艇普遍采用高浓铀、锆包壳、片状和板状元件；燃料元件采用稠密栅布置；精心设计元件结构等措施。美国研制的 S9G 反应堆的寿命已达 33 年。3、提高自然循环能力。现代舰艇反应堆装置不断提高自然循环能力，利用冷却剂在一回路中的温升而造成的密度差作为动力进行循环，而不是使用循环泵作动力进行强制循环。自然循环压水堆装置分为两类，一是分散布置自然循环压水堆，如美国的S5G、S6G、S8G 等；二是一体化自然循环压水堆，如法国的 CAP 和 K-15。自然循环压水堆有如下优点：（1）提高反应堆的固有安全性。在反应堆装置一回路中实现自然循环，在不启动主循环泵的情况下，反应堆仍可发出相当功率，可使潜艇在低速、低噪声的工况下航行，增强了核潜艇的隐蔽性。核潜艇在中低速工况下采用自然循环，在高速、满功率时使用循环泵，这样，即使发生主循环泵故障、失水事故和断电事故，一回路中的冷却剂仍能带走剩余热量。因此能保证事故情况下反应堆的安全，避免堆芯融化。由于冷却剂是被动地靠流体的密度差进行循环，因此不存在误操作问题。（2）降低噪声。不开动主循环泵，从而消除了潜艇一大噪声源，提高了潜艇的安静性。（3）简化系统和设备。核潜艇采用自然循环压水堆装置降低了反应堆的运行及4安全系统对主循环泵供电可靠性要求的依赖程度，可以简化电网供电、节省电能，提高机械和电气设备的可靠性。提高自然循环能力的主要措施：（1）蒸汽发生器的安装位置相对于反应堆中心位置应尽量高。（2）减小一回路及其相应设备的流动阻力。尽量缩短冷却剂在反应堆及蒸汽发生器中的流经路程，简化其内部结构，减少管道弯头数量及其长度，改进逆止阀。一体化压水堆装置取消了连接反应堆和蒸汽发生器的管道，显然对降低阻力有利。而分散式压水堆装置，将反应堆、蒸汽发生器、稳压器和主循环泵紧凑布置，采用短管连接，因而流程短，流动阻力也小。（3）强化蒸汽发生器的换热特性。在不增加一次侧流阻的条件下减少热阻。（4）改进反应堆结构。采用单流程堆芯可简化堆内结构，流动阻力较小，冷却剂流量大，有利于增大自然循环能力。4、减振降噪 核潜艇的辐射噪声主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。从核动力装置本身降低噪声，主要是降低机械噪声。主要措施有：（1）采用自然循环压水堆。（2）采用活筏式整体减振装置。（3）采用合理的隔声减振和吸声结构。（4）降低管路产生的噪声。（5）降低齿轮噪声。5、二回路采用双机单缸。双机单缸是指二回路系统推进主汽轮机由两台独立的单缸汽轮机并联所组成，配有两台主冷凝器等辅助设备，两台汽轮机可并联运行，也可单独运行，简称为双机方案。二回路采用双机方案的优点是：（1）提高二回路系统的生命力。两台汽轮机并联或独立运行，一台出现故障时，系统仍能运转。（2）简化二回路系统、设备。双机方案中配有两台主冷凝器，在设计上可以将两台发电汽轮机的排汽分别排入两台主冷凝器内，可取消单机双缸方案中的两台发电辅冷凝器、辅凝水泵、辅抽汽器等设备和管系，简化二回路系统，有利于舰艇的操作和管理。（3）提高二回路的机动性。两台汽轮机可并联运行，也可单独运行，对于调节艇的航速非常有利。影响 核动力装置在舰艇上的应用，大大提高了舰艇的续航力等作战性能，随着核动力技术的发展，核动力舰艇的性能将进一步提高。技术难点 核动力装置的安全性有待提高，各国核潜艇已发生过 247 起严重事故，其中 19 起沉没事故；反应堆的自然循环能力尚不够理想等。