核動力在深海領域的應用與發展

仝潘 鄒文天 肖友軍 張萬良

（1 中國船舶科學研究中心 江蘇無錫 214082 2 深海載人裝備國家重點實驗室 江蘇無錫 214082）

0 引言

我國有300 萬km2的領海面積，海洋資源極其豐富，具有重要的經濟、科研、軍事等價值［1］。2016 年5 月30 日于北京召開的“全國科技創新大會”上，習近平總書記提出深海戰略的“三部曲”：深海進入、深海探測、深海開發。

由于核動力具有不依賴空氣，一次裝料可工作較長時間，并且能夠產生較大的功率等特點，自1954 年全世界第一艘核潛艇“鸚鵡螺”號服役以來，多個國家將其用于潛艇動力［2］。隨著人類對海洋研究、利用的不斷深入，深海成為核動力重要的應用領域。

1 國外深海核動力發展概況

在深海核動力領域，包括日本、法國在內的發達國家提出了多種方案［3］。然而，目前只有美國和前蘇聯/俄羅斯完成了深海核動力深潛器的設計和建造，在深海領域開展了大量工作。

1.1 美國

根據公開資料［4］，目前美國至少建造了一艘核動力深潛器NR-1，如圖1 所示。美國NR-1 型深潛器于1967 年10 月10日開始建造，1969 年1 月25 日下水，同年10 月27 日服役，并在2008 年11 月21 日退役。

圖1 NR-1 核動力深潛器

NR-1 型深潛器水上排水量365.5 t，水下排水量393 t，長44.44 m，寬3.7 m，下潛深度915 m。深潛器定員7～8 人，實際攜帶13 人。NR-1 水下航速很低，僅有4 節，因此需要用其他水面船只或核潛艇將其拖拽到作業地點，最高的拖拽航速為6節。NR-1 采用汽輪機-電力推進，深潛器前后都裝有推進器，因此能在水下轉彎、盤旋和側偏。其設計與其它大多數深潛潛水器的區別在于核動力驅動，采用了一個緊湊型布置的壓水堆。該反應堆在1990 年到1992 年期間進行了第一次換料，反應堆的運行壽命大約是20 a。由于采用核動力，NR-1 能在海底或海底附近長時間執行任務，最長可達30 d，而常規深潛器一次僅能下潛幾個小時。

NR-1 服役之后參與完成多項任務，包括：①為國家機構提供支持。主要用于國防與緊急民用任務，例如參與搜索以色列海軍失蹤的“達卡爾”號潛艇、在海底搜尋造成“挑戰者”號航天飛船空難的O 型環等；②對國家安全任務的支持。保護國家在海床上的國有資產、收集敵方信息、監視與偵查、取證與調查等；③對科學任務的支持。NR-1 在海床上作業的范圍、續航能力、功率均優勢明顯，這證明了其在科學領域的支持價值。此外，NR-1 還擁有速度快、靈活性強和不利條件下行動便利的優勢，因此對洋底上和水柱中的作業頗具價值。

由于NR-1 在服役期間表現出的巨大應用價值，美國已開始論證下一代核動力深潛器（NR-2）的方案。相比于NR-1，NR-2 擁有更高的航速、更大的潛深、更長的自持力。由于高度保密，目前無法獲取關于NR-2 建造、服役狀態的信息。

1.2 前蘇聯/俄羅斯

前蘇聯/俄羅斯是目前世界上深海核動力應用經驗最為豐富的國家，從20 世紀60 年代至今不僅服役了多型超大潛深攻擊型核潛艇，而且建造了至少3 型7 艘深海核動力工作站。

前蘇聯設計建造的“麥克”級685 型核潛艇最大潛深可達1 250 m，是目前世界上已知潛深最大的戰斗核潛艇［5］，如圖2所示。“麥克”級于20 世紀60 年代末開始設計，1978 年開始建造，1984 年8 月開始進行海試。

圖2 “麥克”級核潛艇

“麥克”級的主尺度為118.4 m×11.1 m×7.4 0 m，水面排水量為5 880 t，水下排水量為8 500 t，最大下潛深度1 250 m［6］。該艇采用水滴形線型，雙殼體結構，耐壓艇體直徑9 m，材料為鈦合金。

“麥克”級上裝備的是OK-650B-3 型壓水反應堆，屬于蘇聯研制的第三代壓水反應堆，如圖3 所示。該反應堆采用緊湊式布置（半一體化），堆芯熱功率接近190 MW，軸功率31626 kW［7］。根據相關資料，該反應堆的滿功率壽期約為460 d～660 d，換料周期約為7 a～8 a［2］。

圖3 蘇/俄第三代潛艇反應堆布置原理圖

“阿爾法”級705/705K 型核潛艇是前蘇聯第三代攻擊型核潛艇（圖4），采用鈦合金建造，最大潛深達到900 m，是世界上批量建造的下潛最深、航速最快、噸位最小、自動化程度最高的攻擊型核潛艇。“阿爾法”級首艇建造于1967 年，至1982 年總共建造7 艘。“阿爾法”級的獨特之處在于采用了液態金屬冷卻反應堆（BM-40/A 和OK-550），這兩型反應堆均為整體組件式半一體化反應堆［7］。其中，BM-40/A 堆芯熱功率155 MW，推進功率29 420 kW［7］；OK-550 堆芯熱功率250 MW，推進功率44 865 kW［2］。

圖4 “阿爾法”級核潛艇

“塞拉”級945/945A 型核潛艇是前蘇聯/俄羅斯另一型超大潛深核潛艇，極限潛深達750 m［5］。“塞拉”級的建造持續至1994 年，已經建造了4 艘，目前仍在俄羅斯海軍服役。

“塞拉”級945 型長107 m，艇寬12.2 m，采用一臺OK-650B-1 型壓水反應堆，堆芯熱功率190 MW，軸功率31 626 kW；“塞拉”級945A 型長110.5 m，艇寬10.2 m，采用一臺OK-650M.01型壓水反應堆（圖5），堆芯熱功率200 MW，軸功率34 936 kW［7］。

圖5 OK-650M.01 型反應堆頂部

除了將核動力裝備于超大潛深戰斗核潛艇外，前蘇聯/俄羅斯還建造了多型核動力深海工作站，包括“比目魚”級10831型（圖6）、“X 射線”級1851 型和“軍服”級1910 型，這些型號總共建造了7 艘，目前仍有多艘在役。

圖6 “比目魚”級深海核動力工作站想象圖

10831 型潛深可達1 000 m，攜帶了探測與作業裝備，可搭載數名專業人員，能執行深海特種作業。該艇采用鈦合金建造，水下排水量為1 100 t。裝有一座核反應堆，熱功率為10 MW，水下航速為6 節，人員編制為14 人。

1851 型深海工作站在1986—1995 年之間共建造3 艘，排水量550/1 000 t（水面/水下），主尺度40 m×5.3 m×5 m，工作潛深約1 500 m，水下航速20 節，裝備一座10 MW的壓水堆，單軸，采用導管式推進器。

1910 型共建成3 艘，下水時間分別為1982 年、1988 年和1995 年。其水面排水量1 340 t，水下排水量1 580 t，尺寸為226.4 m×23.0 m×17.0 m，水面航速10 節，水下28 節。下潛深度可能達700 m，用于研究開發和海底作業。1910 型裝備一座壓水堆，軸功率7 350 kW。

2 深海核動力應用前景

海洋占全球面積的71%，然而人類對海洋的認識和利用還極其有限。進入21 世紀，多個國家提出重大的海洋戰略，人類對海洋的研究開發進入快速發展階段，核動力將發揮重要作用。

2.1 深海科學研究

海洋是一個復雜的世界，海洋里有數十萬種生物，包括動物、植物、微生物及病毒等。海底具有復雜的地形，包括火山、丘陵等。海洋科學研究對生物學、地球物理學等領域具有重要的作用。隨著人類對海洋研究的深入，深海成為一個越來越重要的領域。核動力可以保障深海科研裝備在水下停留更長的時間、更大的活動范圍，極大地提高科研效率。

2.2 資源開發

海洋擁有大量的礦產資源，其中石油儲量為1 350 億t，天然氣儲量140 億m3，多金屬結核儲量3 萬億t，可燃冰儲量為石油天然氣的兩倍。然而，相對于陸上資源，這些礦產的勘探、開采難度極大。例如，多金屬結核主要存在于3 500 m～6 000 m深的海底，普通的裝備難以到達如此深度，并且作業時間、作業功率都受到較大的限制。

采用核動力的深海裝備在水下的工作時間幾乎不受限制，并且能夠提供較大的功率，可以為深海資源的勘探、開采、運輸以及水下設備的維護提供重要的支持。

2.3 事故救援與調查

全球海洋平均深度3 000 m，最深處超過1 萬m，海上發生的各種事故（例如馬航MH370 墜海失蹤等）的救援及事故調查難度較大。核動力應用于涉海潛器，將對此類事故的救援及調查起到巨大的幫助作用。

2.4 海洋防御

我國擁有1.8 萬km的海岸線以及300 萬km2海洋國土，水下國防力量是保護我國海洋安全不可或缺一部分。目前，我國已擁有一支包括核潛艇在內強大潛艇部隊。世界范圍內，絕大部分潛艇的作戰深度都不超過500 m［5，8］。然而，500 m 以深的深海領域仍具有重要的軍事意義。例如，NR-1 曾參與美國海軍的水下監視與偵查、打撈墜毀的F-14 戰斗機以及搜尋沉沒的“長尾鯊”號核潛艇等軍事任務［4］。

3 深海核動力特點及關鍵技術

3.1 深海核動力的特點

在深海領域應用核動力，具有巨大的優勢。首先，核動力不依賴空氣的特點可以保證其在深海長時間的工作，使深潛器等深海裝備擁有充足的時間完成復雜的任務。其次，核動力具有較大的功率，可以滿足深海大功率作業需求。第三，核動力一次裝滿燃料后可以長時間的運行。第四，深海環境溫度較低，當深度超過1 000 m 時，海水溫度基本在5 ℃以下。如果核動力二回路采用蒸汽郎肯循環，較低的環境溫度有利于提高核動力裝置的整體效率。假設二回路新蒸汽為280 ℃的飽和蒸汽，蒸汽在汽輪機內的膨脹做功為絕熱可逆過程。當蒸汽在冷凝器的冷凝溫度從30 ℃降到10 ℃時，循環熱效率將從38%升到41%。

3.2 深海核動力的關鍵技術

在深海環境下，由于海水巨大的壓力等特殊條件，對核動力的設計提出了特殊的要求。

（1）通海系統設計。深海核動力裝置的循環冷卻水系統、設備冷卻水系統及余熱排出系統等均需將熱量排至海水環境，不可避免的涉及到通海系統。深海環境對通海系統的設計影響主要包括通海系統及設備、閥門、管路的承壓技術、密封技術、防腐技術等［5］。

（2）長壽命堆芯。堆芯壽命指反應堆一次裝料后滿功率運行所使用的時間。提高堆芯壽命，可以減少深海核動力裝置在運行期間的換料次數，增加核動力深海裝備的使用率。減少換料次數，還可以減少放射性廢物的排出量。并且，換料時一般需要對耐壓殼體進行切口，這將對深海裝備的結構安全性產生巨大的影響。

長壽命堆芯的關鍵是設計長壽命燃料元件，研制耐腐蝕、耐輻照材料，優化燃料元件和堆芯結構，提高轉換比和堆芯中子經濟性，燃料元件采用稠密柵布置。反應性控制是長壽命燃料元件設計的關鍵技術之一，可以采用可燃毒物控制與控制棒程序控制結合的方案，適當加大燃料的初始裝載量［2］。

（3）系統及設備小型化。隨著海水深度的增加，海水壓力增大。在采用相同的結構材料時，潛器的結構重量占排水量的比例越來越大［9］，艙內的有效空間和有效負載將減小。

核動力裝置系統龐大復雜，面對深海巨大的水壓，小型化是其滿足深海應用的關鍵技術之一。核動力系統及設備的小型化包含降低重量、減小體積兩方面的要求［10］。需要進行小型化設計的系統及設備主要包括：反應堆的緊湊布置，甚至一體化設計；小型汽輪機與發電機的設計；小型高效換熱器的設計；輻射屏蔽的優化設計，在滿足輻射安全的條件下，盡量減小屏蔽結構的體積，降低輻射結構的重量。

（4）高度自動化。深海潛器空間有限，人員工作條件相對惡劣，控制系統需要具有較高的自動化甚至智能化水平，能夠在較少的運行人員和較低的干預條件下，滿足核動力安全可靠運行的要求［11-12］。

（5）固有安全性。安全是核動力應用的前提。尤其是在深海復雜的環境條件下，核動力裝置的安全運行關系到深海潛器能否完成其任務使命，甚至是整個潛器的安全。

提高一回路的自然循環能力、采用非能動的安全設計等措施都能夠在一定程度上提高系統的固有安全性，在事故等條件下降低對人員干預的要求［11-12］。

4 結語

核動力發展至今已有將近80 年的歷史，國外發達國家從上世紀60 年代開始將核動力應用于深海，并裝備于多型潛器中，在深海領域開展了大量工作，獲得了包括民用和軍用在內的大量極具價值的成果。

目前，隨著海洋開發利用的深入，核動力以其突出的優點，將在深海領域發揮更大的作用。同時，深海應用的特殊條件也對核動力的研究和發展提出了挑戰。