潛艇“柴油機+小型反應堆裝置+電力推進”AIP裝置軍事、經濟和使用性能分析

李大鵬, 王臻

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潛艇“柴油機+小型反應堆裝置+電力推進”AIP裝置軍事、經濟和使用性能分析

李大鵬1, 王臻2

（1. 海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033; 2. 海軍大連艦艇學院 外訓系，遼寧省大連市 112700）

介紹小型反應堆裝置作為潛艇AIP裝置的研發現狀，對使用“柴油機+小型反應堆裝置+電力推進”的AIP潛艇的軍事、經濟和使用性能進行了分析。以實艇裝備、技術成熟度最高的AMPS裝置為例，詳細討論了其系統組成、運行參數和方式、艙室布置，并對這類潛艇AIP裝置研發與應用、可行方案、存在問題與發展前景進行了分析與展望。

潛艇 AIP 小型反應堆裝置 AMPS

0 引言

在水下續航性能上，沒有哪種非核動力潛艇能與核動力潛艇相比。嚴格意義上講，核動力潛艇才是真正的AIP潛艇。核動力潛艇水下最大航速要遠遠超過非核動力潛艇。近年來，核動力潛艇在降噪方面進步較大，低噪聲水下航速得到了大幅度提高，如美國海軍“弗吉尼亞”級多用途核動力潛艇的最大低噪聲航速已達到15 kn。在與非核動力潛艇的對抗中核動力潛艇處于上風。

核動力潛艇造價高、使用和維修保養費用高、銷毀難度大，還要涉及錯綜復雜的國際政治和地緣關系，擁有核動力潛艇并非易事。另外，在特殊海區，如峽灣和近海淺水海域，執行一些諸如布雷、人員輸送等任務，采用非核動力潛艇具有較高的軍事經濟性。

為提高非核動力潛艇續航力、降低暴露率，可通過為常規柴-電動力潛艇加裝AIP艙段，使得潛艇水下續航力大大提高。但是，要大幅度提高AIP潛艇水下續航力，對于斯特林發動機、閉式循環柴油機和閉式循環汽輪機AIP裝置，必須要裝載足夠的燃料和氧化劑，這就會增大潛艇尺寸和排水量；對于使用氫燃料燃料電池電化學發電機AIP裝置，氫價格較高，為AIP潛艇建設岸上充注設施更是投資巨大，造成AIP潛艇的保有和使用費用也較高。

隨著科學技術發展，潛艇核動力裝置小型化己取得關鍵性技術突破。在此背景下，常規柴-電動力潛艇上加裝小型反應堆裝置作為AIP輔助動力裝置，建造“柴油機+小型反應堆裝置+電力推進”聯合動力裝置潛艇，可以吸收核動力裝置潛艇優點，克服常規柴-電動力潛艇的缺點，在建造成本有限增加的前提下，極大提高潛艇戰斗性能。“柴油機+小型反應堆裝置+電力推進”聯合動力裝置潛艇的造價和技術復雜性要大大低于核動力潛艇，既可用于新型潛艇設計，又可用于現役潛艇的改裝。

小型潛艇反應堆可采用技術成熟可靠、設計運行經驗豐富的一體化壓水堆，也可采用脈沖堆和高溫氣冷堆。隨著核科學和技術的發展，也將會有更多可用堆型出現。

1 軍事、經濟和使用性能分析

從能量來源角度，可將非核動力潛艇動力系統分為三類。A類：潛艇全部能源都來自消耗外部空氣柴油發電機組發出電力，蓄電池貯存電能；B類：潛艇全部能源的一部分由A類生成，其余由使用常規碳氫燃料（柴油、天然氣、氫氣、氧氣等）的AIP裝置提供；C類：潛艇全部能源的一部分由A類生成，其余由使用非常規燃料AIP裝置提供，如小型反應堆裝置。見圖1所示潛艇推進系統與水下航行時間關系[1]。“柴油機+小型反應堆裝置+電力推進”聯合動力推進系統可滿足長時間水下航行的要求。

表1給出了采用核動力裝置、使用常規碳氫燃料的非核動力裝置（包括普通柴-電動力潛艇和AIP潛艇）以及采用小型核反應堆的聯合動力裝置經濟性比較[2]。

圖1 推進系統與水下航行時間的關系

表1 不同類型潛艇AIP裝置經濟性比較

采用小型反應堆裝置的潛艇可以仍然保持較小的水下排水量，因為裝置需求功率較小。盡管這種潛艇的運行和維修費用及年壽命循環費用要比使用常規碳氫燃料的非核動力潛艇高，與通常核動力潛艇相差不多，但以效費比衡量，雖然比通常核動力潛艇低許多，但也遠遠高于使用常規碳氫燃料的非核動力潛艇。因此從軍事-經濟性角度看，這種潛艇比使用常規碳氫燃料的非核動力潛艇性能優越。

“柴油機+小型反應堆裝置+電力推進”聯合動力潛艇是在常規柴-電動力潛艇上加裝小型反應堆，與常規柴-電動力潛艇、AIP潛艇相比，雖然水下續航力大大提高，但在技術參數和戰斗性能上與通常核動力潛艇還是有很大差距。因此，作戰使用上應有別于上述三種潛艇，對其戰術和戰役使用原則需專門進行研究。

加裝小型反應堆裝置更適合作為柴-電動力潛艇改裝方案，尤其對于大量過時的柴-電動力潛艇，不失為大幅提高潛艇戰術-技術性能非常經濟有效且快捷的方法。加裝小型反應堆裝置后的柴-電動力潛艇，雖然在水下續航力和航速上有極大提高，但在潛艇隱蔽性上需要重新估算，并采取有效的降低艦船物理場措施。在新設計和新建造的非核動力潛艇上安裝小型反應堆裝置意義不大，因為與其這樣，不如直接建造核動力潛艇。

雖然加裝的是小型反應堆，但嚴格意義上說，這種潛艇已經屬于核動力潛艇范疇了。由于反應堆上艇，必須要遵循保證核安全的相應運行操作規范，且反應堆的換料與退役管理與核動力潛艇并無太大區別。

2 AMPS裝置

目前非核動力潛艇裝備的小型反應堆裝置型號不多。其中，加拿大渥太華能源轉換系統公司（ESC）研發的AMPS（Autonomous Marine Power Plant，自主式船用動力裝置）系列是目前實際裝備和運行的小型反應堆裝置，技術成熟度最高也最為成功，積累了豐富的設計和使用經驗。

ECS為潛艇和水下工作設備使用的AMPS研究始于1973年，在柴-電動力潛艇上加裝AMPS是作為輔助動力裝置[3]。1980年，為無人看管水下工作設備研制了AMPS裝置。自1983年，ECS為法國“Cara-H”型潛艇安裝了AMPS裝置，進行了包括冰下航行在內的多項實驗。實驗取得了成功，并對加拿大及其他國家海軍潛艇動力發展都具有重要影響。

AMPS裝置使用小尺寸小功率熱中子水冷反應堆，該反應堆在Slowking小功率慢中子研究堆基礎上設計。第一座反應堆是喬克河國家實驗室在1968～1969年研制，反應堆為池狀，活性區包圍鈹反射層，1012n/(cm2·s)熱中子通量，主要用于中子活化反應研究和教學。

自1970年，共建造了8座這種類型反應堆，所有反應堆都獲得了無操作人員運行許可，只需在24 h內檢查一次。其中，7座反應堆的活性區裝有0.8 kg質量鈾-鋁合金高富集度鈾（U-235含量93%）燃料。第8座也是最后一座反應堆活性區建于1985年，裝有5 kg質量低富集度鈾（U-235含量20%）。

在所有這種類型后續反應堆中，都使用低富集度鈾燃料。由于具有負反應性溫度系數以及不大的后備反應性，Slowking反應堆具有較高安全性，因此反應堆自動停堆系統中不需要電離室。反應堆被唯一一根帶有中子探測器的電機驅動吸收棒自動控制工作。

對于熱功率1.0～1.5 MW反應堆，活性區直徑410 mm。活性區由具有較低能量密度放熱單元組成，使用核燃料鈾-鋯-氫（U-Zr-H），這種鈾-鋯-氫燃料在23個國家63 座研究堆上使用。自1958年，這種燃料反應堆已成功運行800堆年以上。活性區包圍有鈹反射層。20%U-235富集度燃料全裝量9 kg，可持續運行1000～1300 晝夜。

在Slowking反應堆基礎上，ECS設計了10 MW功率熱中子反應堆，保留了Slowking反應堆所有主要技術特征。反應堆設計主要目的是制造高可靠性、安全和造價低廉反應堆。反應堆活性區由784個燃料單元組成，含有富集度4.9%二氧化鈾。50%功率平均利用系數下活性區更換周期6年。活性區包圍有厚度10 cm鈹反射層。1986年，建成了2 MW熱功率示范堆，用于驗證反應堆在無操作人員運行情況下的工作安全可靠性。示范堆含有10 MW功率堆的全部單元。

AMPS系統組成見圖2。

圖2 AMPS系統組成

ECS在上述反應堆基礎上，研制了AMPS400和AMPS1000小型反應堆裝置，型號命名中的數字“400”和“100”，代表裝置功率分別為400 kW和1000 kW。表2給出了AMPS400和AMPS1000裝置的主要參數。AMPS1000是ECS于1987年研制的1000 kW功率小型反應堆裝置，安全性好，結構緊湊，壽命長，可用于2000 t級非核動力潛艇。

AMPS1000和AMPS400裝置見圖3。裝置有兩個獨立回路。自反應堆活性區流出水溫95°C，蒸發器中傳熱給二回路工質氟利昂。透平中工質蒸汽焓降轉變為功，帶動發電機。冷凝器中將作功后乏汽冷凝，泵送入預熱器，再回到蒸發器。控制與監測系統調節流經透平氟利昂蒸汽流量，維持一回路溫度平均值。事故情況下，每個換熱回路都可保證70%發出功率。裝置效率9.5%，約為現代潛艇壓水堆動力裝置的1/2。

反應堆冷卻可以依靠一回路冷卻劑水自然循環。自然循環狀態下可得到20kW電功率。依靠反應堆活性區較達負反應性溫度系數提高裝置使用壽期內的安全性，裝置處于無人自動化工作狀態。由于活性區具有較低能量密度（小于50 kW/l），可保證反應堆1300晝夜使用壽命期間不會發生燃料元件燒毀事故，提高了裝置可靠性和安全性。

表2 AMPS400和AMPS1000裝置主要性能參數

圖3 AMPS1000裝置。

1-活性區；2-反應堆；3-預熱器；4-泵；5-閘閥；6-蒸發器；7-冷凝器；8-透平；9-發電機；10-舷外水

還有一些技術問題有待解決，如二回路工質選擇。對54種有機液體進行了研究分析，并在給定工作條件下，使用該種工質時裝置具有最大熱效率、可靠性、價格、重量尺寸指標、毒性和可燃性等參數作為優化準則進行了計算。當然，對在二回路中最常使用的工質水進行了重點研究。

3 AMPS裝置應用

AMPS裝置布置在潛艇耐壓殼體內。AMPS潛艇艙段直徑6.4～8.4 m。潛艇耐壓殼體直徑7.4 m時，內嵌AMPS艙段長度5.5 m。圖4給出了在“柴油機+AMPS+電力推進”聯合動力裝置內嵌AMPS艙段所處位置。

圖5給出了AMPS1000艙段的內部艙室布置。據估算，包括殼體結構和附件的AMPS1000艙段質量350 t。安裝AMPS1000裝置后，艇員增加3～12名，這主要取決于值班更次，部分崗位也可由原有艇員擔任。為給活性區更換核燃料，耐壓殼體內反應堆上方開設有1～1.5 m直徑人孔，通過這個人孔可將燃料元件（35個）逐個移出活性區。

圖4 AMPS艙段

圖5 AMPS1000艙段布置

1-活性區；2-冷卻劑儲存；3-蒸汽發生器；4-冷凝器；5-一回路主循環泵；6-防護隔壁；7-液壓閥；8-給水泵；9-汽輪發電機冷凝器；10-舷外水泵；11-蓄電池；12-船上配電板；13-變流器；14-汽輪發電機；15-柴油發電機；16-主推力軸承；17-主推進電機；18-配電板

自零負荷冷態將裝置加熱到啟動工況需要不到2 h時間，與初始溫度有關，然后就可以較快地提升裝置功率。根據加拿大專家觀點，即使潛艇沉沒，也可保證AMPS1000裝置安全。潛艇殼體結構上，舷外水在比耐壓殼體發生損壞時要小的深度上進入殼體內部，可使潛艇內部壓力平衡，不會發生結構損壞。據估算，常規柴-電動力潛艇嵌入AMPS1000裝置艙段后，造價將提高15 %。

ECS和西屋公司簽訂協議，對燃料元件中使用電加熱的AMPS模型裝置試驗。1988年，位于圣迭戈市的AMPS原型裝置熱工水力試驗臺投入使用。這種類型實驗裝置需要的技術維護和基本保障相比傳統潛艇核動力裝置要少得多，歸功于這種核動力裝置的可靠性和輻射安全性有大幅度提高。在功率提高兩倍（與額定工況相比）及各種事故情況下（如一回路循環泵停運及其他事故工況），試驗臺架上驗證了反應堆活性區性能。計劃將試驗臺架用于培訓裝置操作人員。

據估計，在近似船用工作條件下，AMPS裝置調試需要時間不少于5年。4艘使用“柴油機+AMPS+電力推進”動力裝置潛艇建造計劃費用，包括岸上試驗臺架，約1.6億美元。加拿大曾研究了不同AMPS裝置方案，包括1000 t級排水量潛艇使用100和400 kW功率（電功率）AMPS裝置，可以安裝在德國U-209級和瑞典A-17級潛艇上。

安裝AMPS裝置后，可保證這些潛艇在不使用蓄電池情況下，以4～5 kn航速具有幾乎無限水下續航力。為排水量2000 t級潛艇，如德國TR-1700級或瑞典471級潛艇，研制了1000 kW功率（電功率）AMPS裝置，可保證潛艇不使用蓄電池情況下8～12 kn水下航速，但僅在需要最大航速時裝置才投入，作為加速發動機。

對AMPS感興趣的還有英國、荷蘭和德國。據報道，加拿大和法國、英國、巴基斯坦就出售使用AMPS裝置潛艇進行了談判。英國計劃在多佛港建造這種類型潛艇。多佛港是英國三大海軍基地之一，核動力潛艇修理也在這里進行。加拿大曾計劃建造6艘這種潛艇，建造費用預計18億英鎊。

1989年，加拿大搭建了AMPS裝置原型試驗臺，對AMPS裝置極端工況下工作性能進行了廣泛和長期測試。實驗取得了成功。自1994年，首先對400 kW功率（電功率）AMPS裝置進行了實驗。之后，1996～1997年，對1000 kW功率（電功率）AMPS裝置進行了實驗。如果必要，還可將裝置功率提高到1700 kW（電功率）。

目前，AMPS裝置還只限于在常規柴-電動力潛艇上使用。由于反應堆安全性提高并大量采用計算機技術，AMPS裝置只需少量操作人員，無需對基地保障設施作出太大的升級改造。

4 其他潛艇小型反應堆裝置

加拿大小功率反應堆取得經驗推動了法國和西班牙對類似潛艇動力裝置的研究，但所研制的小型核動力裝置不是保證潛艇最大水下航速，而是用于獲得戰術要求必需的水下平均航速。研究表明，這種核動力裝置潛艇以7 kn水下航速航渡10晝夜到達巡邏區域，再以3 kn航水下速度巡邏30晝夜，然后7 kn水下航速返回基地，航行距離達7200海里，自持力50晝夜，其中17 kn航速水下航行1 h達10次，4 kn航速水下航行時間超過100 h。

這種小型核動力裝置潛艇曾與其他形式AIP裝置潛艇進行過比較。相同條件下，采用電化學發電機裝置潛艇具有最小水下排水量，電化學發電機裝置燃料單元使用聚合物電解質和甲醇燃料，利用甲醇熱解制氫，甲醇在潛艇耐壓殼體外部容器內儲存。

法國曾將小型反應堆裝置安裝在排水量1050 t“阿戈斯塔”級非核動力潛艇上。使用一體化核反應堆，蒸汽發生器位于反應堆殼體內，一回路自然循環冷卻，低富集度鈾燃料元件為法國公司制造。包括生物屏蔽在內反應堆高度4 m，直徑2.5 m，質量40 t。汽輪發電機功率1 MW，可以保證主軸系推進電機推進和全船電力用戶需要。主軸系推進電機功率900 kW時，潛艇水下航速13 kn，此時全船電力用戶需求功率100 W。實驗表明，安裝有小型反應堆裝置的“阿戈斯塔”級潛艇13 kn水下航速下續航力12500海里，而采用常規柴-電動力裝置，7 kn水下航速下續航力僅6700海里。

法國還研究了小功率模塊化反應堆裝置，稱SCORE（Systeme Compact de Reateur Embarquable）。這種緊湊式反應堆裝置具有很高自動化水平，除啟動和停止工況，運行無需操作人員參與，且具有很好可靠性指標。修理模塊可采用更換方式，即將小型反應堆裝置模塊整個從潛艇上卸除下來，替換新模塊即可，方便高效，但裝置電功率不超過2 MW。盡管這種反應堆裝置模塊尚未實際應用，但研究取得成果已經應用到后續潛艇核動力裝置上。

美國通用原子能公司和ESC還聯合為海底探測潛艇研制了AMPS-1裝置[4]，見圖6。

另外值得一提的案例，是日本原子能研究所（JAERI）自20世紀80年代后期開始研制深海探測潛艇，艇上使用DRX小型反應堆裝置[5]，見圖7。

核動力裝置輸出功率150 kW，采用小型一體化壓水堆。壓力容器本體由兩個直徑2.2 m鈦合金球型殼體連接而成，上部半圓型封頭可拆卸。反應堆容器、蒸汽發生器、汽輪機、發電機及其他設備部件均包含在壓力容器內。堆芯冷卻劑自然循環。控制棒由停堆控制棒和反應性控制棒組成。失水事故情況下，堆芯仍會處于被淹沒狀態，安全性好。

圖6 AMPS-1裝置

1-動力艙室；2-預熱器；3-蒸汽發生器；4-水處理器；5-加壓器；6-冷卻劑儲存箱；7-進出口；8-屏蔽；9-堆芯；10-反應堆容器；11-衰減器；12-潛艇殼體

圖7 DRX裝置

5 前景與展望

AIP裝置造價是潛艇設計和建造中非常重要因素，決定了潛艇軍事-經濟性能。俄羅斯奧姆斯克儀表特種結構設計局研制第5代非核動力潛艇單一電化學發電機裝置，功率600 kW，短期峰值功率4000 kW，潛艇水下自持力60～90晝夜，雖然潛艇技戰術指標接近核動力潛艇，但使用復雜、造價高昂，且電化學發電機裝置造價幾乎占動力裝置總造價的絕大部分。因此，與其選擇這種AIP潛艇與常規柴-電動力潛艇形成“高低”搭配，不如直接選擇核動力潛艇。

國外經驗表明，對常規柴-電動力潛艇進行AIP改裝，升級為AIP潛艇是簡單、快速且經濟的技術方案。一種現實可行的改裝方案是在潛艇中部嵌入AIP輔助動力裝置艙段，這樣在不顯著增大潛艇排水量、最大水下航速略有降低的條件下，可以不消耗蓄電池電能，幾倍地提高潛艇在低噪聲狀態下的不間斷水下續航力。法國、瑞典、德國、俄羅斯都有這樣的商品化的AIP艙段。

在傳統柴-電動力潛艇上加裝小型反應堆裝置，可用作戰斗機動的加速動力。據“阿穆爾”級系列型號潛艇總設計師Ю.Н.Кормилицин介紹，1976年，紅寶石設計局就已經開始了將柴-電動力潛艇改裝成核動力潛艇的相關研究設計，還考慮過對“基洛”級潛艇進行改裝。1985年，蘇聯對651型柴-電動力巡航導彈潛艇“K-58”進行改裝，加裝600kW功率BAУ-5小型反應堆裝置。反應堆裝置布置在耐壓殼體內容器內部，潛艇重新命名為651Э型。但后續由于大噸位核動力潛艇大量建造，小型反應堆裝置并未引起訂購方很大興趣。

如果在677型潛艇上加裝小型反應堆裝置，則具有強大武備、超低噪聲的核動力“拉達”級潛艇的技戰術性能將遙遙領先于當代所有非核動力潛艇。據報道，改裝柴-電動力潛艇的微型核反應堆預計將采用艾弗里甘多夫艦船設計局研制的迷你型反應堆，反應堆樣品于2006年制造成功。這種小型反應堆裝置可以在潛艇大修或現代化改裝期間安裝在現有柴-電動力潛艇上，也可以直接安裝在在建柴-電動力潛艇上。2007年，俄羅斯制定了重新裝備海軍的宏偉計劃，艦船設計思想也會有所改變。一些革命性、創新性設計必將出現。

[1] 劉光亞, 凌球. 21世紀常規潛艇動力發展方向. 船電技術, 2006.

[2] Dean A. Rains，Kenneth A. Mitehell. 核與非核攻擊潛艇動力裝置比較. 陳世君譯，國外核動力，2004.

[3] А.Н.Батырев, В.Д.Кошеверов, О.Ю.Лейкин. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. Л.: Судостроение. 1994.

[4] 波部一郎. 核能海底探測潛水艇. 國外核動力，No.2，1988.

[5] Hiromasa Lida. Design Study of the Deep Sea Reactor. Nuclear Tehnology. 1994.

Characteristic Analysis of “Diesel+Small Reactor Power Plant+Electrical Propulsion” Submarine AIP Plant

Li Dapeng1, Wang Zhen2

（1.Naval university of Engineering, Hubei Wuhan 430033, China; 2.Naval Dalian Warship Institute, Dalian Liaoning 112700, China）

U674.76

A

1003-4862（2014）10-0001-06

2014-04-08

第47批“教育部歸國留學人員科研啟動基金”資助。

李大鵬（1972-），男，博士后。研究方向：艦船動力裝置。