法國艦艇核動力技術發展與展望

錢 超，王艷武，鮑敬源

(1.海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北武漢430033；2.武漢東湖學院機電工程學院，湖北武漢430212；3.海軍裝備部駐武漢地區第二軍事代表室，湖北武漢430063)

0 引言

法國自主研發艦艇核動力技術，共建有3座陸上原型反應堆，發展了SNLE，CAS-48，K-15及K-15改進型三代四型艦艇核動力型號。法國艦艇所采用的核動力技術為壓水堆，并將發展重心放在一體化反應堆上，加快自然循環能力的提升。法國主張走通用型、多用途核動力技術發展路線，其核潛艇應用的K-15反應堆同樣應用于“戴高樂”號航母。法國積極開發新型反應堆，其航母反應堆提升空間巨大，相比美國“尼米茲”級航母反應堆單堆熱功率588 MW，“福特”級航母A1B型反應堆單堆熱功率735 MW，法國現有的K-15型反應堆功率只有150 MW，僅與美國退役航母“企業”號反應堆相當。

1 法國艦艇核動力裝置研發歷程

1956年法國開工建造其第1艘核潛艇和反應堆，代號Q-244，該潛艇排水量約4 000 t，為攻擊型核潛艇，艇上反應堆由美國提供。由于美國在技術方面上的承諾，開始階段進展順利。然而，隨著戰后法國與美國之間政治分歧日益顯露，美國停止供應濃縮鈾，不再向法國提供核反應堆，拒絕分享設計資料。之后法國自行研制的核動力裝置未能成功，項目于1959年被迫停工，于1961年撤銷該計劃，該艇被改裝成為常規動力彈道導彈試驗潛艇。

1960年12月，法國長期艦艇計劃確立建造6艘“可畏”級彈道導彈核潛艇。1962年法國對發展核潛艇計劃進行了修改，決定按照自己的思路開展核潛艇的研制。法國海軍在達卡拉希建立了PAT陸上模式堆，對SNLE型反應堆進行了大量的試驗，最終裝載在法國第1艘核潛艇上，“可畏”號彈道導彈核潛艇于1967年下水，1971年正式服役。

1965年11月，法國決定研制第1艘攻擊型核潛艇，采用CAS-48一體化壓水堆裝置。CAS-48一體化壓水堆研制采用集中管理模式，法國原子能委員會負責領導，薩克萊核研究中心負責設計研究，卡達拉希核研究中心負責試驗任務，法國原子技術公司承擔建造工作。1971年7月決定建造CAP一體化自然循環陸上模式堆。1972年正式開始建造，1975年11月24日達到臨界，12月13日達到滿功率運行。法國“寶石”級攻擊型核潛艇采用該型壓水堆，首艇“紅寶石”號于1983年2月服役，至今已有6艘服役。

在CAS-48型反應堆基礎上，法國于1982年啟動K-15型壓水堆研發工作，該型壓水堆采用一體化設計，法國投入1億法郎資金對CAP陸上模式堆進行改造，以保障新型壓水堆的試驗研究。該堆于1994年在“凱旋”號彈道導彈核潛艇上試運行，1997年“凱旋”號服役。K-15反應堆單堆軸功率4.15萬馬力，與美國“企業”號航母的反應堆水平相當。“戴高樂”號航母采用2座K-15型核反應堆，支持40000噸級的航母就已略顯吃力，航母實際最高航速僅達到25 kn。如果用于排水量更大的航母，這型反應堆顯然不能滿足需求。而從零開始設計功率更大的反應堆，費用昂貴。因此，法國在后續計劃建造PA2新型航母時，并未考慮采用核動力。

法國于2010年完成第4代潛艇核動力RES陸上模式堆的建設，該模式堆應用于新一代攻擊型核潛艇“梭魚”級。RES計劃于1995年啟動，目標是在2005年對乏燃料水池進行調試，2013年使反應堆臨界。2003年RES陸上模式堆開始建造，2013年僅完成化石燃料動力蒸汽測試的性能的測試，至今尚未有反應堆臨界的消息。

2 法國艦艇核動力裝置特點

法國從1955年開始至今已先后研制四型艦艇壓水堆，分別是PAT分散型壓水堆、CAS-48一體化壓水堆K-15一體化壓水堆和K-15改進型一體化壓水堆，具體應用情況見表2。

1）SNLE

SNLE雙冷卻劑回路分散布置反應堆，其基本布置與美國的S5W反應堆和英國的PWR1反應堆相似。鈾富集度超過90%的高濃縮鈾核燃料，為板式合金燃料。

2）CAS-48

CAS-48一體化反應堆熱功率為48 MW，燃料富集度7%。CAS-48一體化反應堆二回路初始蒸汽壓力為2.3MPa，可提供軸功率12000馬力。CAS-48一體化壓水堆共裝備了6艘“紅寶石”級攻擊型核潛艇，每艘1座；自然循環能力高，安全可靠性好，采用電力推進，噪聲較低。但由于系統結構緊湊、復雜，增加了維修難度。

3）K-15型

K-15型反應堆熱功率150 MW，可提供軸功率41500馬力，為CAS48的3.5倍。K-15型反應堆設計增大了壓力容器，增加了堆芯中冷卻劑流通截面，減小流動阻力，提高自然循環能力，其自然循環可帶走40%～49%反應堆功率熱量。K-15型反應堆的陸上模式堆是RNG，該模式堆顯著提升了核動力系統的靜音特性，包括優化反應堆管路的各模塊的支座，降低冷卻劑流量，提升發動機旋轉性能，改善設備安裝靈活性。反應堆控制和防護系統全面數字化。法國航母采用與潛艇共用K-15型核反應堆的技術路線，“戴高樂”號航母上安裝的K-15反應堆與“凱旋”號潛艇安裝的反應堆基本一致，主要是增加了安全防護屏。

4）K-15改進型

K-15改進型反應堆減小了反應堆的物理尺寸（其高度約為10 m），使得能夠適應“梭魚”級核潛艇的布置空間。K-15改進型提升了自然循環的效果和靜音特性。該反應堆采用低富集度核燃料，熱功率與K-15型反應堆持平，換料周期延長到10年，換料時間從5個月縮短到3個月。升級了控制和防護系統設備的人機界面，提升安全性和可用性。減少了全壽期（建造和運行）的費用。

RES是“梭魚”設計要求實現的平臺，主要的創新點如下：堆芯性能（燃耗，壽期等）、核蒸汽供應系統模塊的架構（支撐結構，固定和移動水池的輻射防護）、儀表、控制和人機界面。

3 法國艦艇核動力裝置的發展方向

3.1 未來法國潛艇核動力裝置的發展方向

K-15型壓水堆在“凱旋”級彈道導彈核潛艇和“戴高樂”號航母得到應用，而“梭魚”級攻擊型核潛艇采用K-15改進型壓水堆。K-15改進型反應堆計劃在卡達拉希核研究中心的RES陸上模式堆進行測試，但是RES設施目前已經嚴重拖期。

3.2 未來法國航母核動力裝置的發展方向

與旨在成為“戴高樂”號姊妹航母的PA2航母計劃不同，法國2018年提出的未來航母計劃的目標是在2040年取代“戴高樂”號航母。其軍事需求與PA2航母項目必然存在差別，所以未來航母的動力系統與航母的噸位和航速有著密切的聯系。

首先從噸位上來看，目前世界上各國的航母都朝著大型航母發展，所以其噸位勢必大于或等于PA2航母的方案。然后從航速上來看，法國從“戴高樂”航母以來，一直引進美國的彈射器，艦載機的起飛對對航速要求不高，從PA2航母的參數上來看，其航速并沒有顯著變化，所以對于未來航母，其航速很有可能維持在當前的水平，也就是在27 kn左右。

從保護國內核軍工體系的角度而言，法國目前已有6艘“梭魚”級核潛艇項目，所以不需要通過航母反應堆方式對核軍工體系進行保護。參考近十幾年法國艦艇核動力技術的發展歷程，技術問題并不是制約航母發展的關鍵因素，未來航母動力形式仍主要取決于法國的經濟形勢。

如果采用目前的K-15改進型反應堆，可以減少反應堆開發的經費，為了滿足動力的需求，需要增加反應堆的數量。由于K-15改進型反應堆與K-15型反應堆相比，熱功率維持不變，所以輸出軸功率也基本維持不變。K-15型核反應堆熱功率僅為150 MW，輸出軸功率約30 MW，假設以最保守的PA2的噸位和航速方案，未來航母至少需要3座K-15改進型反應堆。

如果開發新型反應堆，法國航母反應堆仍有很大的提升空間。相比美國“尼米茲”級航母反應堆單堆熱功率588 MW，“福特”級航母A1B型反應堆單堆熱功率735 MW，法國現有的K-15型反應堆功率只有150 MW，僅與美國“企業”號反應堆相當。從RES模式堆開發計劃來看，法國新型反應堆開發的周期在7～8年之間，如果未來航母采用核動力，2040年取代“戴高樂”號的目標時間較為寬裕。所以法國從技術和時間上采用核動力都不存在問題，影響法國航母核動力裝置的主要因素仍然取決于費用。

4 結語

通過分析法國艦艇核動力發展歷程，結合法國艦艇核動力裝置技術特點及發展路線，得出結論如下：

艦艇核動力發展宜采用集中管理模式。艦艇核動力技術復雜，研制周期長，工藝難度大，如果管理分散，在協調、決策及一致性發展方面將會出現較多問題。借鑒法國艦艇核動力發展經驗，采用集中管理模式，通過制定科學、有效的管理體制機制，能夠更好地促進艦艇核動力快速發展。

艦艇核動力發展宜實行單獨立項。艦艇核動力具有研制周期長、技術密集、經費投入多等特點，借鑒法國艦艇核動力發展經驗，以戰略專項計劃的形式發展艦艇核動力，能夠保證核動力技術持續有效發展。

艦艇核動力發展宜重視基礎科研。艦艇核動力發展的根本保障是基礎研究，反應堆技術是核動力發展重心，同時核安全防護、二回路等技術協同發展，加強這些領域基礎科研的建設，能夠更好地推進艦艇核動力創新發展。