國外艦艇一體化反應堆技術應用

田沿杰，林曉玲，汪 林，程相勤

(中國人民解放軍90609部隊，北京 100077)

1 概 述

國外海軍核動力艦艇包括核潛艇、核動力巡洋艦和核動力航母，其中核潛艇和核動力航母是目前主要在役的核動力艦艇，是本文的研究對象。

從工程原理上來看，核潛艇與核動力航母所采用的反應堆相差不大。如美國新一代“福特”級航母采用的A1B型反應堆以及現役“尼米茲”級航母采用的A4W/A1G型反應堆都是在美國核潛艇S5W型反應堆基礎上加以放大或適當改進衍生出來的。

國外海軍核動力艦艇裝備的核反應堆按布置方式可分為分散布置、半一體化布置和一體化布置3類。從裝備數量和應用廣泛程度來看，分散布置反應堆在核潛艇及核動力航母中均占有最大比例，分別占74%和91%；半一體化布置反應堆所占比例較少，約18%，且沒有核動力航母應用案例；一體化布置反應堆在核潛艇及核動力航母都有應用，但所占比例最小，分別占8%和9%，如圖1所示。

1）分散布置核反應堆裝備情況

分散布置反應堆是指將反應堆、蒸汽發生器、穩壓器和主循環泵等設備分散布置在反應堆艙內。由于該布置方式存在占用空間大、重量大等問題，國外海軍一般采用緊湊分散布置方式，以減輕反應堆上艇/艦壓力。

美國所有核潛艇和核動力航母均采用緊湊分散布置的核反應堆；英國核潛艇裝備的PWR-2型反應堆主要基于采用美國S5W型反應堆技術的PWR-1型反應堆改進而來，亦采用分散布置；蘇聯第1代反應堆（VM-A及VM-1A等）和第2代反應堆（VM-4、VM-4P和VM-4C等）也是分散布置，并廣泛裝備在蘇/俄第1代及第2代核潛艇上（如“維克多”級、“德爾塔”級等）。

2）半一體化布置核反應堆裝備情況

相比分散布置反應堆，半一體化布置反應堆取消了閥門，將蒸汽發生器、主泵與核反應堆壓力容器以超短管連接，形成半一體化布置核反應堆。該布置方式使一回路不易漏水，并提高了蒸汽發生器管束與反應堆堆芯間的高差，從而提高了反應堆的自然循環能力。

圖 1 國外現役核潛艇反應堆布置方式比例圖Fig. 1 Proportion map of the layout of active nuclear submarines’reactors in foreign countries

圖 2 國外現役核動力航母反應堆布置方式比例圖Fig. 2 Proportion map of the layout of active nuclear aircraft carriers’ reactors in foreign countries

圖 3 分散布置核反應堆原理圖Fig. 3 Schematic of dispersed nuclear reactor

蘇聯于1975年研制的第3代核反應堆（OK650B及OK650B-1等）采用了半一體化布置方式，并廣泛裝備于蘇/俄第3代及第4代核潛艇（“阿庫拉”、“亞森”、“北風”等）；此外，法國研制的首型“可畏”級彈道導彈核潛艇亦采用半一體化布置核反應堆。

3）一體化布置核反應堆裝備情況

一體化反應堆之所以被稱為“一體化”，是因為它將堆芯、蒸汽發生器、冷卻泵、增壓器等所有系統的初級組件都裝在壓水殼內。這種布置方式完全取消了冷卻劑系統中的管道連接，大幅減少了冷卻劑阻力，有效提高了反應堆的自然循環能力。

圖 4 半一體化布置核反應堆原理圖Fig. 4 Schematic of semi- integrated nuclear reactor

俄羅斯曾建成陸上一體化模式反應堆，但由于造價高（有報道稱比俄第3代反應堆貴1倍）、縱向尺寸大、維修及換料困難等原因，并未上艦/艇使用。目前世界上只有法國海軍核動力艦艇采用了一體化布置反應堆，主要包括CAS48型和K15型2種型號，廣泛裝備法國第1代及第2代攻擊型核潛艇、第2代彈道導導彈核潛艇以及核動力航母上。

圖 5 一體化布置核反應堆原理圖Fig. 5 Schematic of integrated nuclear reactor

2 技術特點分析

國外主要海軍反應堆性能參數比較如表1所示。可以看出，與其他布置反應堆相比，法國一體化核反應堆具有自然循環能力高、采用低濃度鈾核燃料、結構緊湊體積小等特點。

1）自然循環能力強

自然循環指在閉合回路內依靠熱段（向上流）和冷段（向下流）中的流體密度差所產生的驅動壓頭來實現的流動循環。對于反應堆系統來說，如果堆芯結構和管路設計合理，就能利用這種驅動壓頭推動冷卻劑在一回路中循環，并帶走堆內產生的熱量。自然循環壓水堆提高了反應堆的固有安全性，降低噪聲，簡化了系統和設備。

表 1 國外主要海軍反應堆性能參數比較Tab. 1 Comparison of parameters of major foreign naval reactors

相比分散、半一體化布置反應堆，一體化布置核反應堆在自然循環能力上具有明顯優勢。一體化布置反應堆完全取消了冷卻劑系統中的管道連接，大幅減小了冷卻劑阻力，從而有效提高了反應堆的自然循環能力。其中美國S9G型反應堆自然循環能力可達滿功率的25%～30%，而采用一體化布置反應堆的法國K15型，其自然循環能力可高達50%。

2）采用低濃度鈾核燃料

在20世紀60年代末，法國就開始用低濃度鈾作為核燃料用在反應堆中。法國研制的CAS48型和K15型反應堆核燃料鈾濃度僅為7%～20%，而美、英海軍艦艇采用的核動力裝置核燃料的鈾濃度高達95%。

采用低濃度鈾核燃料無須生產成本高、輻射高的高濃縮鈾，有利于艦艇的經濟性和安全性。但采用低濃度鈾核燃料反應堆功率偏低，且換料周期短。目前美、英、俄新一代核潛艇反應堆基本達到“與艇同壽”，即全壽期內無需換料。而法國計劃于2017年服役的新一代核潛艇“梭魚”級裝備的K15型反應堆堆芯壽命為10年，服役期內仍需換料。

3）結構緊湊、占用空間小

由于一體化布置反應堆將核反應堆與蒸汽發生器組合成一個裝置，其內部只有管路和主循環泵，沒有主動力裝置一次回路，從而使反應堆具有結構緊湊、重量輕、占用空間小等優點，避免了因反應堆體積大而不得不增大核潛艇尺寸及排水量的問題。

例如法國第一代攻擊型核潛艇“紅寶石”級采用的CAS48型反應堆整個裝置僅重35 t，是世界上最小的核潛艇（水下排水量2 670 t）。新一代攻擊型核潛艇“梭魚”級采用的K15型反應堆的高度和直徑也只有10 m和4 m，潛艇水下排水量5 300 t，遠低于美國“弗吉尼亞”級（7 800 t）、俄羅斯“亞森”級（8 600 t）、英國“機敏”級（7 400 t）等國外新一代攻擊型核潛艇。

3 裝備使用情況

當前僅法國海軍核潛艇和核動力航母采用了一體化布置反應堆，主要包括“紅寶石”級攻擊型核潛艇、“梭魚”級攻擊型核潛艇、“凱旋”級彈道導彈核潛艇和“戴高樂”號核動力航母。

1）“紅寶石”級攻擊型核潛艇

“紅寶石”級攻擊型核潛艇設計獨特，性能較為先進，特別是該艇采用了CAS-48型一體化反應堆，該堆占據空間小、結構緊湊，具有鮮明的技術特征。“紅寶石”級核潛艇另外一個典型的技術特征是采用電力推進方式，取消了減速齒輪箱，并且在正常航速航行時，采用自然循環方式，降低了潛艇噪聲。但是由于核燃料的鈾濃縮度較低，反應堆的換料周期較短。每隔5～7年，“紅寶石”級核潛艇就必須入塢并切開壓力殼更換核燃料，換料時間約5個月左右，這對潛艇實際海上作戰值勤時間造成不利影響。

圖 6 一體化布置核反應堆布置圖Fig. 6 Schematic of integrated nuclear reactor

2）“凱旋”級彈道導彈核潛艇

“凱旋”級彈道導彈核潛艇采用的動力裝置與“紅寶石”級核潛艇相同的核能電力推進方式以降低噪音，裝備了K15一體化核反應堆，其功率達150 MW，驅動一組功率30.5 MW的渦輪發電機來帶動推進器；此外，反應器產生的蒸汽也帶動另一個蒸汽渦輪來產生船艦運作所需的電力。K15反應堆中一回路冷熱劑溫度達250℃，壓力達到133 kg/cm2。這比美國現役的“俄亥俄”級彈道導彈核潛艇反應堆一次回路冷熱劑的參數要低一些；K-15反應堆使用與法國核電廠類似的低濃度鈾燃料（Low Enriched Uranium，LEU），其鈾235濃度僅約為20%，核燃料更換周期為10年，高于CAS48型的7年。

2）“梭魚”級攻擊型核潛艇

“梭魚”級潛艇核反應堆采用“凱旋”級彈道導彈核潛艇和“戴高樂”號航母所用K15型一體化自然循環反應堆裝置的改進型，可使用與法國核電廠相同的核燃料，而無需特別研發專門的核燃料。其動力裝置為混合構型，潛艇在低速航行時以核能系統帶動低速電動馬達以獲得較佳的靜音性能，高速時以蒸氣渦輪直接驅動推進器。此外鑒于法國核動力航母及新型核潛艇均采用K15反應堆或其衍生版，未來法國海軍所有核動力艦艇的動力系統將具有高度通用性。

圖 7 K15型反應堆原理圖Fig. 7 Schematic of K15 nuclear reactor

3）“戴高樂”號核動力航母

在“戴高樂”號核動力航母動力系統研制上，法國論證后認為可以將“戴高樂”號和“凱旋”級核潛艇的核動力項目合并以節約研制費用。鑒于航母對核反應堆單堆功率需求大，核潛艇相對較小，法國采取了折中方式，選用了單堆軸功率30.5 kW的反應堆，其中“戴高樂”號裝備2座K15型反應堆，熱功率共300 MW。

總體來看，“戴高樂”號采用K15型核反應堆表現并不順利，特別是總軸功率僅61 MW（法國上一代常規動力航母“克萊蒙梭”級為93 MW），致使“戴高樂”航母航速過慢，最大航速僅28 kn（“克萊蒙梭”級為32 kn），不但對航母戰技性能造成不利影響，也不利于航母與其他海軍艦艇編隊協同作戰。

圖 8 “戴高樂”號采用的K15反應堆模型Fig. 8 The K15 nuclear reactor of De Gaulle

4 結 語

從1983年首艘采用一體化反應堆的海軍核動力作戰艦艇—法國“紅寶石”號核潛艇服役至今已有30余年，一體化核反應堆已成為法國核艦艇主要的動力系統，并對法國海軍核艦艇發展產生重大影響，通過一體化核反應堆特點及國外一體化反應堆上艦/艇使用情況分析及梳理，可得到如下結論：

1）在經濟性上，采用一體化反應堆有利有弊

一體化反應堆可以采用與民用核電站相同的低濃度鈾核燃料，無需研發及生產昂貴的高濃度鈾核燃料，具有良好的經濟性。同時采用低濃度鈾核燃料利于采用民用標準，例如法國在“梭魚”級核潛艇設計中，如果民用標準能滿足認證指標將被優先采用，這項舉措使“梭魚”級核潛艇的安全性與民用核安全標準比較一致，達到法國海軍減少人員的要求，從而進一步減少成本。

但另一方面，采用低濃度鈾核燃料的反應堆換料周期短，雖然法國海軍認為更換核燃料的周期大致與艦艇設備翻修升級的時間周期同步，對實際值勤效率的影響不大，低濃度鈾核燃料成本也不高。不過核潛艇換料所需的反應堆拆除、潛艇艇體切割等相關設備和作業工費以及核廢料處理和最終處置等都需要大筆經費。總體而言采用低濃度鈾核燃料運行一體化核反應堆的方式，更適合高濃度鈾核燃料生產及儲量不高的國家（如美國主要通過處理大量退役的核彈頭獲得高濃度鈾核燃料）。

2）在作戰性能上，一體化反應堆利于艦艇隱蔽性

一體化反應堆具有較強的自然循環能力，從而使潛艇在一定航速下不用啟動主泵就可帶出堆內熱量，相當于去掉了核潛艇的一回路主泵噪聲，從而提高了潛艇的隱蔽性。從使用情況看，在2015年年初一次大西洋海上演習中，法國1艘“紅寶石”級核潛艇成功突破了美海軍以“西奧多·羅斯福”號航母組成的航母編隊強大的反潛網，顯示出優秀的隱蔽性能。

3）在尺寸結構上，一體化反應堆利于艦艇小型化

法國海軍主要的作戰區域是北海、地中海和東大西洋沿岸的大陸架以及近大陸架淺海、中等深度等有利于中小型潛艇活動的海區。一體化核反應堆具有結構緊湊、重量輕、占用空間小等優點，有利于實現艦艇小型化，符合法國海軍的實際需求。

4）在核動力航母方面，采用一體化反應堆要滿足航母頂層設計提出的各種要求

在核航母動力裝置研發上，早在20世紀50年代，美國在發展核動力航母初期時曾考慮直接使用S5W核潛艇標準反應堆型，但在大量論證下最終決定在S5W型反應堆基礎上重新設計適用于核航母的大功率反應堆。

而法國受經濟條件和技術水平的限制，其核動力航母“戴高樂”號直接引進核潛艇裝備的K15核反應堆，從而出現了功率小、航速低、堆芯壽命短等諸多問題。其主要原因在于“戴高樂”號航母直接引進核潛艇反應堆并不規范，沒有達到讓核動力裝置滿足航空母艦總體的要求。從“戴高樂”號航母使用情況和存在的問題來看，核動力航母采用一體化反應堆具有可行性，但要按航母頂層設計的要求設計核動力裝置，以滿足航母各項戰技要求。