核动力船舶的发展展望

《核工程+数字化仪控+核安全+核动力》@EnzoReventon

核动力船舶的发展展望

核动力船舶技术原理概要

不管核动力船是民用商船，还是军用舰船，从热工水力和放射性管理方面来讲，基本都采用压水堆，且工作原理是一致的。其工作系统主要由一回路系统、二回路系统以及为保证装置正常运行、人员健康和可靠性冗余系统等组成 ：

• 一回路系统位于反应堆舱。载热剂载走反应堆中核燃料裂变产生的热量，加热蒸汽发生器中二回路的水产生蒸汽。
• 二回路系统位于机舱中的二回路中蒸汽发生器产生的蒸汽去驱动蒸汽轮机，经减速齿轮或推进电机带动螺旋桨驱动舰船前进。

如下图所示为船用压水堆的三种布置方式，即：

• 分散型（也称作回路型，其反应堆压力容器、蒸汽发生器、一次系统主泵之类的一次系统设备是由较长的大直径一次系统回路管道连接。这种反应堆系统为现有发电用反应堆中普遍采用的压水堆堆型布置。采用该堆型布置的好处是便于对各种设备进行维修检查，且已具有丰富的建造和运行经验。其不足之处是占用空间大，建造过程中的安装和焊接点多，在设计上还必须考虑因大直径一回路管道破损可能引发的假想反应堆冷却剂失水事故的安全措施。）

• 紧凑型（也称作半一体化型，是一种将一次系统回路设备用短管直接连接挂在反应堆容器上的堆型。由于其热功率增大会受到限制，故而不适于在大型堆中采用，但与分散型堆相比，其占用空间小，建造过程中的安装和焊点少。）

• 一体化型（是将蒸汽发生器、一次系统主泵等带放射性的一次系统设备安装在反应堆容器内，是一种比紧凑型布置堆更小的中小型堆。反应堆容器增大了，但整个反应堆系统变得紧凑，占用的整体空间小。堆芯的自然循环冷却能力强，没有一次系统管道，防止失水事故的安全性得以提高）。

孙玉伟,严新平.民用船舶的核动力选择[J].中国船检,2010(04):70-74+125.

核动力船舶分类

根据是否具备自主航行能力划分，核动力船舶的发展主要分为两个方向，如下图所示。

1）非自航类核动力船舶。这一类核动力船舶长期在固定位置工作，主要用作能源供给或固定生产所需，不需要具备自主航行能力，因此不配备推进装置。

2）自航类核动力船舶。这一类核动力船舶在不同海域工作，主要用作货物运送、或者从事破冰科考等专业任务，需要经常性的变换位置，因此必须具备自主航行能力，配备推进装置。

刘宙锋,王艳婷.民用核动力船舶电力系统方案研究[J].船电技术,2019,39(03):10-13+17.

核动力船舶的优势

1. 经济性

• 核能在利用时，其所表现出的能量优势十分显著。据计算，1公斤可裂变物质铀完全分裂所产生的能量，相当于2100吨燃油充分燃烧后所得到的能量。这也就是说，核燃料所包含的能量，大体相当于本身重量210万倍的燃油的能量。在研究发展民用核动力船舶过程中，可参考国内外发展核动力装备时所积累的大量经验和数据，以期在继承已有技术基础并提高切入点的前提下，进而有效控制总体工程项目的实际成本投入。
• 一艘技术状况良好的5100TEU集装箱船，其主要数据如下表所示。以21节速度航行，每天约消耗125吨燃油，该船每年航行以7500小时、燃油单价以300USD/吨计，则全年燃油成本约为28125万美元。若采用压水型核动力推进装置，仅需消耗60克重的U235核燃料，所携带的核燃料二氧化铀，最多也只需510千克左右，全年核原料成本约为4万美元。仅从燃油成本一项，全年约节省28120万美元。此外，除去核动力装置及相关配套系统所占空间和重量等因素的影响，仅在利用原船用燃油存储空间所带来的船体复杂程度降低和载运量增加这两方面，其总体能源有效利用的比率较之常规动力船舶也有着一定优势。
• 故此，如果暂不考虑总体的初始投资，仅通过以上粗略统计数据的对比就可以发现，实际上在寻求核动力民用船舶潜在商业上的应用前景还是值得考虑的。

孙玉伟,严新平.民用船舶的核动力选择[J].中国船检,2010(04):70-74+125.

2. 极高的能量密度

• 一公斤可裂变物质铀完全分裂所产生的能量，大约相当于2800吨优质煤或2100吨燃油充分燃烧后所得到的能量。也就是说，核燃料所蕴含的能量，相当于280万吨倍的煤的能量，或者是210万吨燃油的能量。
• 例如，一艘推进功率为7.4万千瓦的大型快速船，若采用常规动力装置，全速航行1小时大约需要消耗35吨燃油，而采用压水堆核动力装置，则仅需要消耗17克的铀-235核燃料。
• 按目前船用核反应堆的技术水平，参考日本“陆奥”号核动力船装料标准来推算，该船全速航行一年，若以9000小时计算，它所携带的核燃料二氧化铀，最多也只需27.5吨，其中铀-235含量约为970公斤。这样，与9000小时满功率航行的燃油消耗量相比，核燃料二氧化铀的装载量也只是燃油的一万一千四百分之一；如果携带够了足够的食物、用水等生活供应品和充足的武器装备，核动力装置可以保证这艘船连续全速航行300个昼夜以上。
• 显然，作为舰船战术技术重要指标之一的续航力，就再也不会像其他常规动力的舰船那样收到燃料装载量的限制和束缚了
• 美国弹道导弹核潜艇“三叉戟”的续航力，设计指标为100万海里，如果按30节计算，可以全速航行3.34万小时。

3. 核裂变不依赖氧气

• 由于核反应与燃烧反应不一样，核裂变过程不依赖氧气，核动力装置不需要像常规动力那样不断的向动力装置输送氧气。因而用它作为潜艇的动力是非常合适的，并且有着无可比拟的突出优势。装有核动力装置的潜艇，只要保证艇员在与外界空空气完全隔绝的舱室内正常生活的条件，在艇员身体健康允许情况下，就可以在水下持续告诉潜航很长的时间。
• “鳡鱼”号就曾于1958年8月顺利进行了人类第一次在冰层下面横跨北极的航行。长时间的潜航，增加了潜艇的隐蔽性，极大的扩展了潜艇的攻击能力和防御能力，使核潜艇真正成为一个能够在水下自由移动的，难以被敌人发现的弹道导弹发射平台，

4. 功率大

• 再要求船舶具有较高的平均航速和较大的续航力情况下，由于核动力船舶不需要携带大量的燃料，总的重量尺寸与相同功率水平的常规动力装置相比并不笨重。常规动力装置在最大功率下的运行时间，因为燃油消耗过多而总是受到限制，每次出航，船长做出满功率运行的决定时都不得不慎重考虑。作战舰艇的航海日志记录表面，其满功率工况或接近满功率工况的使用时间，占其全部航行时间的百分比很小。
• 但是，对于核动力船舶而言，由于反应堆堆芯核燃料具有极高的功率密度，对满功率航行的限制已经失去了意义。
  核动力舰船航行实践说明，以尽量多的时间按满功率或者接近满功率进行工作是合理的。
• 此外，由于功率大、耗用燃料少，使得核动力装置在核燃料的供应、运输和装在等方面具有优越性。除舰艇外，就是对其他具有专门特殊使命要求的各种船舶来说，也十分吸引人。
• 例如，对于要求具有大功率的破冰船和具有大吨位的矿砂船、运油船、集装箱运输船等，都极为适宜选用核反应堆作为其推进动力源。

5. 核反应装置运行稳定

• 与锅炉蒸汽轮机动力装置相比较，其运行特性较为稳定，且又易于控制，其负荷跟随性也比较好。
• 尤其是压水堆核动力装置所固有的那种特殊的负温度效应的自调节特性，能够使反应堆装置迅速的跟随汽轮机进气阀开度变化而自动跟踪调节。 这一特点提高了核动力装置的可操作性，对于核动力装置的控制也是十分有利的。
• 今后，随着船舶自动控制技术水平的提高，还可以进一步改进核动力装置的启动和停堆的操作技术。
• 在核动力装置实现完全自动化以后，也就会像90年代现金核电站一样，整个装置的操纵管理人数减到更少，同时减少操作失误几率。

庞凤阁,彭敏俊.船舶核动力装置[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社, 2000.