船舶核動(dòng)力裝置

核動(dòng)力裝置

NuclearPowerPlant核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（V2009.03.4）MNPP-L029/16/20241《核動(dòng)力裝置》船舶核動(dòng)力裝置反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)二回路系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)齒輪減速推進(jìn)電力推進(jìn)壓水堆3.船用核動(dòng)力裝置的基本組成液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆9/16/20242《核動(dòng)力裝置》壓水堆核動(dòng)力裝置原理流程9/16/20243《核動(dòng)力裝置》一回路系統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)專設(shè)安全系統(tǒng)一回路輔助系統(tǒng)廢物處理系統(tǒng)一回路系統(tǒng)的基本組成9/16/20244《核動(dòng)力裝置》二回路系統(tǒng)汽輪機(jī)回路蒸汽系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)潤(rùn)滑油系統(tǒng)造水系統(tǒng)二回路系統(tǒng)的基本組成9/16/20245《核動(dòng)力裝置》二回路主機(jī)配置方案9/16/20246《核動(dòng)力裝置》船舶推進(jìn)方式9/16/20247《核動(dòng)力裝置》1.3船舶核動(dòng)力裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)1.船用條件2.主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)9/16/20248《核動(dòng)力裝置》1.船用條件（1）受海洋條件影響

——搖擺、傾斜、升降

——具有在海洋條件下正常運(yùn)行能力（2）易產(chǎn)生海上事故

——碰撞、觸礁、火災(zāi)、沉沒(méi)，要求生命力強(qiáng)（3）負(fù)荷變化頻繁、幅度大

——機(jī)動(dòng)性要求（4）航行遠(yuǎn)離基地、碼頭

——維修、補(bǔ)給困難

——要求可靠性高9/16/20249《核動(dòng)力裝置》1.船用條件（5）船內(nèi)艙室空間有限

——要求動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間較?。?）船上、港口人員密集

——輻射防護(hù)要求高（7）海洋氣候潮濕,空氣中含有鹽分

——設(shè)備應(yīng)具有抗腐蝕性能9/16/202410《核動(dòng)力裝置》海上事故（1）2007年1月9日，日本川崎汽船公司的“最上川”號(hào)大型油輪和美國(guó)“紐波特紐斯”號(hào)核動(dòng)力潛艇在阿拉伯海的霍爾木茲海峽相撞。油輪局部受損，但沒(méi)有人員傷亡，也沒(méi)有造成原油和核泄漏事故。9/16/202411《核動(dòng)力裝置》海上事故（2）2000年8月12日，造價(jià)10億美元的俄羅斯核潛艇“庫(kù)爾斯克”號(hào)在巴倫支海爆炸沉沒(méi)，118人殉難反應(yīng)堆處于安全關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有造成核泄漏9/16/202412《核動(dòng)力裝置》核動(dòng)力潛艇的艙室空間核電站的主控室與汽機(jī)廠房9/16/202413《核動(dòng)力裝置》2.主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（1）安全性（2）裝置功率（3）經(jīng)濟(jì)性（4）重量尺寸（5）可靠性（6）適航性（7）生命力（8）機(jī)動(dòng)性（9）隱蔽性9/16/202414《核動(dòng)力裝置》（1）安全性含義：對(duì)船上所有人員的健康和對(duì)周?chē)h(huán)境的清潔與安全有切實(shí)可靠的保證。正常條件下，對(duì)人員的放射性輻照低于法定水平。事故情況下，安全系統(tǒng)及時(shí)投入，防止放射性物質(zhì)外泄。是船舶安全的基礎(chǔ)，是諸項(xiàng)指標(biāo)中最基本的要求；核安全始終是在核動(dòng)力裝置的研制和使用中的首要問(wèn)題。9/16/202415《核動(dòng)力裝置》a.安全性要求雖然核動(dòng)力裝置發(fā)生危險(xiǎn)的可能性并不比其他動(dòng)力裝置大，但萬(wàn)一發(fā)生事故就會(huì)對(duì)環(huán)境和人員造成輻射；核動(dòng)力艦船的檢修和換料需要設(shè)置專用的碼頭和設(shè)施，運(yùn)行和維修過(guò)程中產(chǎn)生的放射性廢物需要適當(dāng)?shù)奶幚?；為保證核動(dòng)力艦船在意外和遭受攻擊的情況下不發(fā)生核污染事故，核動(dòng)力裝置必須有很高的固有安全性。

——保證堆芯不燒毀；

——保證放射性物質(zhì)不泄漏。9/16/202416《核動(dòng)力裝置》b.輻射防護(hù)措施核反應(yīng)堆工作時(shí)，不可避免有強(qiáng)烈的放射性輻射，這就要求特別的屏蔽，限制或根本不讓艇員進(jìn)入潛艇的某些部位。廣泛采用自動(dòng)化設(shè)備，不斷監(jiān)測(cè)空氣的放射性和采用其他一些安全措施。對(duì)船員照射劑量的極限值都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。9/16/202417《核動(dòng)力裝置》c.安全性設(shè)計(jì)原則多道屏障

—燃料芯塊及包殼

—一回路承壓邊界

—反應(yīng)堆艙縱深防御

—預(yù)防事故發(fā)生

—防止運(yùn)行偏差發(fā)展為事故

—限制事故后果

—應(yīng)急計(jì)劃9/16/202418《核動(dòng)力裝置》安全措施示意圖9/16/202419《核動(dòng)力裝置》（2）裝置功率

含義：指主汽輪機(jī)組輸出有效功率，即船舶推進(jìn)器的輸入功率。有效功率=汽輪機(jī)內(nèi)功率-汽輪機(jī)機(jī)械損失-齒輪減速器損失-軸系損失9/16/202420《核動(dòng)力裝置》a.裝置功率與船舶航速的關(guān)系裝置有效功率Ne

與船舶航速vs、排水量D

之間存在如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：推進(jìn)功率與航速的立方成正比排水量一定的艦船，推進(jìn)功率越大，航速則越高高航速對(duì)于提高艦船的作戰(zhàn)能力極為有利9/16/202421《核動(dòng)力裝置》b.倒車(chē)功率民用船舶：倒車(chē)功率=（40%~50%）正車(chē)額定功率軍用艦船：

倒車(chē)功率=（20%~40%）正車(chē)額定功率軍用艦船推進(jìn)功率通常大于民用船舶核動(dòng)力裝置中設(shè)置專門(mén)的倒車(chē)汽輪機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)倒車(chē)9/16/202422《核動(dòng)力裝置》（3）經(jīng)濟(jì)性含義：反應(yīng)堆熱功率用于推進(jìn)船舶的功率份額，表示能量利用的有效程度。核動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性好，意味著核燃料的消耗相對(duì)較少，可延長(zhǎng)換料周期軍用核動(dòng)力艦船在服役期內(nèi)的換料次數(shù)減少，可以提高在航率，減少船殼大切口的次數(shù)，同時(shí)還可以減少換料過(guò)程中產(chǎn)生的放射性廢物9/16/202423《核動(dòng)力裝置》a.核動(dòng)力裝置的朗肯循環(huán)4-5-1：定壓吸熱過(guò)程1-2：絕熱膨脹過(guò)程（1-2a：實(shí)際膨脹過(guò)程）2-3：等溫（定壓）放熱過(guò)程3-4：壓縮過(guò)程9/16/202424《核動(dòng)力裝置》裝置效率定義為裝置有效功率與反應(yīng)堆輸出熱功率的比值，即裝置總效率定義為裝置輸出總能量與反應(yīng)堆輸出熱功率的比值，即b.常用的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)[ηnpp

=16%~21%]9/16/202425《核動(dòng)力裝置》（4）重量尺寸裝置干重

裝置的機(jī)械、設(shè)備和管系的重量裝置濕重

裝置干重+裝置運(yùn)行所必需的水和油的重量裝置貯備重量

液體的貯備重量消耗材料的重量和貯備儀器重量裝置總重=裝置濕重+裝置貯備重量干重水油濕重貯備重量總重9/16/202426《核動(dòng)力裝置》a.重量指標(biāo)單位功率的重量

裝置重量與裝置有效功率的比值，t/kW裝置相對(duì)重量

裝置重量與船舶排水量之比船名“列寧”號(hào)破冰船“北極”號(hào)破冰船“奧托漢”號(hào)核商船“薩瓦娜”號(hào)核商船“陸奧”號(hào)核商船“鸚鵡螺”號(hào)核潛艇“華盛頓”號(hào)核潛艇t/kW0.0930.1020.1240.2560.2950.0990.0779/16/202427《核動(dòng)力裝置》b.尺寸指標(biāo)容積飽和度裝置有效功率與動(dòng)力裝置艙室容積的比值，kW/m3面積飽和度裝置有效功率與動(dòng)力裝置艙室面積的比值，kW/m2長(zhǎng)度飽和度裝置有效功率與動(dòng)力裝置艙室長(zhǎng)度的比值，kW/m通常：9/16/202428《核動(dòng)力裝置》（5）可靠性含義：裝置在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、在規(guī)定的使用條件下完成規(guī)定功能的能力?？煽啃詫?duì)于保證核動(dòng)力裝置的可用性極為重要，是保證核動(dòng)力艦船充分發(fā)揮戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能的重要前提之一9/16/202429《核動(dòng)力裝置》a.可靠性指標(biāo)可靠度

設(shè)備在規(guī)定的條件下和預(yù)期使用期內(nèi)完成其功能的概率，即不發(fā)生故障的概率。故障率（或失效率）平均失效間隔時(shí)間設(shè)備可用率、故障運(yùn)行率維修度9/16/202430《核動(dòng)力裝置》a.故障率隨時(shí)間變化的“浴盆”曲線9/16/202431《核動(dòng)力裝置》b.可靠性要求核動(dòng)力艦船的自給力提高，續(xù)航力增大，同時(shí)又限制人員接近核動(dòng)力裝置的很多部位，這就要求主機(jī)、輔機(jī)、系統(tǒng)、減速器等的工作有高度的可靠性，也就要求核動(dòng)力裝置的主要部件有很高的強(qiáng)度；核動(dòng)力裝置要有備用的機(jī)械、閥件、系統(tǒng)等；有良好的人-機(jī)-環(huán)境，減少人因失誤。9/16/202432《核動(dòng)力裝置》（6）適航性含義：在航行時(shí)，動(dòng)力裝置受到某種限定海洋條件下的影響，仍然能夠保證安全運(yùn)行的能力。海洋條件：

海洋環(huán)境對(duì)核動(dòng)力裝置造成的搖擺、傾斜和升沉等，使核動(dòng)力裝置承受附加的加速度。因艦船長(zhǎng)期在海洋環(huán)境中工作，所以要求核動(dòng)力系統(tǒng)、設(shè)備和操縱機(jī)構(gòu)等能在搖擺、沖擊和振動(dòng)條件下穩(wěn)定可靠地工作。9/16/202433《核動(dòng)力裝置》a.艦船運(yùn)動(dòng)的類型數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)類型幅度/°時(shí)間/s左右搖擺3015俯仰搖擺107水面艦船甲板傾斜度加速度類型數(shù)值/g垂直±1.0橫向±0.5縱向±0.2水面非軍用船加速度數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)際海事機(jī)構(gòu)（OMCI）9/16/202434《核動(dòng)力裝置》b.設(shè)計(jì)限值西屋公司縱傾5°，橫傾15°縱搖±7°，橫搖±30°（周期10s）其它要求橫搖±45°（周期7~9s），縱搖±15°（周期6~8s）長(zhǎng)期允許任何方向有20°的持續(xù)傾斜短期（小于3min）允許任何方向有45°的傾斜沖擊加速度3g9/16/202435《核動(dòng)力裝置》（7）機(jī)動(dòng)性含義：動(dòng)力裝置在一定時(shí)間內(nèi)改變運(yùn)行工況的能力。

機(jī)動(dòng)性的內(nèi)容：?jiǎn)?dòng)時(shí)間——從冷態(tài)到熱態(tài)所需時(shí)間變速能力——改變功率水平的時(shí)間變向能力——正、倒車(chē)轉(zhuǎn)換時(shí)間及倒航時(shí)間續(xù)航力——艦船裝載一次燃料所能持續(xù)航行的距離9/16/202436《核動(dòng)力裝置》機(jī)動(dòng)性要求由于艦船機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，船用核動(dòng)力裝置相比陸用的需要額繁地改變功率，且航行中運(yùn)行工況變化也較大。作戰(zhàn)艦艇航速的大幅度迅速變化；快速升負(fù)荷，30~60s內(nèi)，裝置功率從10%升至100%快速降負(fù)荷，2s內(nèi)，裝置功率從100%下降到10%事故情況下，0.8~1.2s內(nèi)實(shí)現(xiàn)停堆破冰船破冰過(guò)程核動(dòng)力航母蒸汽彈射過(guò)程9/16/202437《核動(dòng)力裝置》（8）生命力含義：在遭到戰(zhàn)斗破損或事故破損時(shí)，裝置能夠保證或者可能恢復(fù)其功能的能力。對(duì)于在海洋中航行執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的軍用艦船，動(dòng)力裝置的生命力直接關(guān)系到艦船的生死存亡對(duì)于承擔(dān)戰(zhàn)略使命的核動(dòng)力潛艇，動(dòng)力裝置的生命力甚至關(guān)系到國(guó)家的命運(yùn)9/16/202438《核動(dòng)力裝置》a.生命力保障措施主動(dòng)力分組布置（如雙機(jī)方案）應(yīng)急貯備（關(guān)鍵設(shè)備完全備份）采用互換性好的設(shè)備和儀表重要設(shè)備單獨(dú)供電，設(shè)置應(yīng)急供電系統(tǒng)重要消耗品分散布置具有破損報(bào)警裝置及隔離裝置9/16/202439《核動(dòng)力裝置》b.生命力設(shè)計(jì)實(shí)例美國(guó)的“飛魚(yú)”號(hào)及其以后所有美國(guó)核潛艇上普遍采用機(jī)械設(shè)備的“雙重設(shè)置”原則，即同一設(shè)備有兩套的設(shè)計(jì)原則。前蘇聯(lián)/俄羅斯在生命力研究和設(shè)計(jì)中也很重視這一原則。核潛艇動(dòng)力裝置的主要部件（除了反應(yīng)堆、減速器、軸系和螺旋槳外）都盡可能雙重配置，有些核潛艇設(shè)置兩座反應(yīng)堆9/16/202440《核動(dòng)力裝置》（9）隱蔽性含義：動(dòng)力裝置運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出的物理場(chǎng)不被外界探測(cè)到的能力。隱蔽性是提高艦船生存能力的重要手段，在“發(fā)現(xiàn)即摧毀”的今天，隱蔽性顯得尤其重要隱蔽性也是達(dá)到作戰(zhàn)突然性的重要前提9/16/202441《核動(dòng)力裝置》a.影響隱蔽性的主要因素①噪聲主冷卻劑泵、齒輪減速器、螺旋槳等回轉(zhuǎn)設(shè)備流體噪聲②放射性放射性廢物的排放放射性物質(zhì)的泄漏9/16/202442《核動(dòng)力裝置》b.提高隱蔽性的措施控制水下噪聲水平消除噪聲源——采用自然循環(huán)反應(yīng)堆；使用電力推進(jìn)；提高運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備加工精度；采用泵噴推進(jìn)器隔離噪聲源——使用減振器、隔離殼和吸音材料，采用整體式減振浮筏控制放射性外泄強(qiáng)度限制排入海水中的放射性物質(zhì)；保證對(duì)反應(yīng)堆足夠的放射性屏蔽。增大下潛深度，利用海洋背景提高隱蔽性9/16/202443《核動(dòng)力裝置》c.“東芝事件”的背后20世紀(jì)80年代初，日本東芝機(jī)械公司背著巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)，向前蘇聯(lián)出售了4臺(tái)高精密的加工船用螺旋槳的數(shù)控機(jī)床前蘇聯(lián)使用這種銑床加工出高質(zhì)量、低噪音的大型船用螺旋槳，將新型核潛艇的噪音大幅下降，致使美國(guó)的一艘核潛艇于1986年10月在直布羅陀附近海域跟蹤前蘇聯(lián)核潛艇時(shí)與其發(fā)生了相撞事件在此之前，前蘇聯(lián)海軍核潛艇在200海里以外有所動(dòng)作，美國(guó)核潛艇不僅能夠發(fā)現(xiàn)，而且能夠辨別其特征美國(guó)極為震怒，向日本政府施壓，嚴(yán)厲制裁東芝公司，許多當(dāng)事人被捕，這就是哄動(dòng)一時(shí)的“東芝事件”9/16/202444《核動(dòng)力裝置》1.4船舶核動(dòng)力裝置的發(fā)展趨勢(shì)1.國(guó)外船舶核動(dòng)力裝置的發(fā)展概況2.船舶核動(dòng)力裝置技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)9/16/202445《核動(dòng)力裝置》1.國(guó)外船舶核動(dòng)力裝置的發(fā)展概況美國(guó)前蘇聯(lián)/俄羅斯英國(guó)法國(guó)9/16/202446《核動(dòng)力裝置》“鰩魚(yú)”級(jí)(4)，1955~1959“鰹魚(yú)”級(jí)(6)，1956~1961“長(zhǎng)尾鯊”級(jí)(14)，1958~1967“鱘魚(yú)”級(jí)(37)，1963~1974“洛杉磯”級(jí)(62)，1976~1996“海狼”級(jí)(3)，1995~2001“弗吉尼亞”級(jí)(3)，1996~2004[7級(jí)，共計(jì)131艘]“華盛頓”級(jí)(5)，1957~1961“伊?！ぐ瑐悺奔?jí)(5)，1959~1967“拉菲特”級(jí)(31)，1961~1967“俄亥俄”級(jí)(18)，1976~1997[4級(jí)，共計(jì)59艘]SSNSSBNⅠ.美國(guó)9/16/202447《核動(dòng)力裝置》發(fā)展研制分代海狼級(jí)、弗吉尼亞級(jí)解決：先進(jìn)技術(shù)，靜音洛杉磯級(jí)解決穩(wěn)定性鰹魚(yú)級(jí)解決機(jī)動(dòng)性、水滴型鸚鵡螺、海狼解決適應(yīng)性第四代核潛艇第三代核潛艇第二代核潛艇第一代核潛艇9/16/202448《核動(dòng)力裝置》美國(guó)發(fā)展的船用堆系列1.西屋公司的SW系列陸上模式堆：S1W，A1W裝艦堆：S2W，S3W/S4W，S5W，S5W-Ⅱ，S6WA2W，A4W，C1W2.通用電氣公司的SG系列陸上模式堆：S1G，S3G，S7G裝艦堆：S2G，S4G，S5G，S6G，S8G，S9GD2G，A1G9/16/202449《核動(dòng)力裝置》美國(guó)船用動(dòng)力堆的命名規(guī)則兩個(gè)字母中間加一個(gè)數(shù)字：表示所裝備艦艇的類別：A—航母C—巡洋艦D—驅(qū)逐艦S—潛艇表示研制的公司：C—燃燒工程公司G—通用電氣公司W(wǎng)—西屋公司XXX首字母末字母中間數(shù)字表示研制序號(hào)9/16/202450《核動(dòng)力裝置》表1美國(guó)潛艇堆主要性能表堆名S5WS5W-ⅡS5GS6GS8GS6W堆型PWRN-PWRN-PWRN-PWRN-PWRPWR堆功率MW6085-10060160250250軸功率HP1500020000-2500017000400006000060000換料周期，a4~54~5910~1310~1310~13續(xù)航力，萬(wàn)海里121235~40100100100初次投運(yùn)時(shí)間1958196119691976198119959/16/202451《核動(dòng)力裝置》N級(jí)，13V-I級(jí)，16V-II級(jí)，7V-III級(jí)，25“阿爾法”級(jí)，7M級(jí)，1“鯊魚(yú)”級(jí)，12“塞拉”級(jí)，6H級(jí)，8Y級(jí)，34D-Ⅰ級(jí)，18D-Ⅱ級(jí)，4D-Ⅲ級(jí)，14D-Ⅳ級(jí)，7“臺(tái)風(fēng)”級(jí)，6攻擊型彈道導(dǎo)彈型E-Ⅰ級(jí)，5E-Ⅱ級(jí)，29C-Ⅰ級(jí)，12C-Ⅱ級(jí)，6P級(jí)，1“奧斯卡”-Ⅰ級(jí)，2“奧斯卡”-Ⅱ級(jí)，12巡航導(dǎo)彈型Ⅱ.前蘇聯(lián)/俄羅斯1950~2003：建造248艘核潛艇和5艘水面艦艇9/16/202452《核動(dòng)力裝置》前蘇聯(lián)/俄羅斯壓水堆緊湊布置直管式高效直流蒸汽發(fā)生器安靜性“雅森”級(jí)第一代50-60年代第二代60-70年代第三代80-90年代第四代20世紀(jì)末發(fā)展過(guò)程壓水堆、單流程螺旋管式管內(nèi)直流蒸汽發(fā)生器Y級(jí)、D級(jí)、C級(jí)、V級(jí)通用化、模塊化列管式直流蒸汽發(fā)生器臺(tái)風(fēng)級(jí)、奧斯卡、S、阿拉庫(kù)壓水堆、雙流程盤(pán)管式管外直流蒸汽發(fā)生器“阿爾法”級(jí)攻擊核潛艇9/16/202453《核動(dòng)力裝置》英國(guó)購(gòu)買(mǎi)美國(guó)潛艇壓水堆研制A、B、Z三種堆芯勇士、快速、特拉法爾加研制成果G、前衛(wèi)級(jí)核潛艇S5WPWR-1PWR-29/16/202454《核動(dòng)力裝置》法國(guó)1960年建立路上模式堆PAT1971年CAP攻擊核潛艇陸上模式堆1983年CAS-48一體化壓水堆（“紅寶石”級(jí)攻擊核潛艇）200年“戴高樂(lè)”號(hào)核動(dòng)力航母9/16/202455《核動(dòng)力裝置》2.船舶核動(dòng)力裝置技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)提高安全可靠性延長(zhǎng)堆芯壽命增強(qiáng)自然循環(huán)能力減振降噪9/16/202456《核動(dòng)力裝置》Ⅰ.提高安全可靠性提高反應(yīng)堆的固有安全性；提高反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力；采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)；提高自動(dòng)控制水平、減少誤操作。9/16/202457《核動(dòng)力裝置》Ⅱ.延長(zhǎng)堆芯壽命堆芯壽命：反應(yīng)堆一次裝料所使用的時(shí)間。提高轉(zhuǎn)換比和堆芯中子經(jīng)濟(jì)性；燃料元件采用稠密柵布置；優(yōu)化燃料元件結(jié)構(gòu)；采用可燃毒物控制，適當(dāng)加大燃料的初始裝載量。9/16/202458《核動(dòng)力裝置》Ⅲ.增強(qiáng)自然循環(huán)能力增大反應(yīng)堆與蒸汽發(fā)生器之間的熱中心位差減小一回路及其相應(yīng)設(shè)備的流動(dòng)阻力強(qiáng)化蒸汽發(fā)生器的換熱特性改進(jìn)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)增大堆芯進(jìn)、出口冷卻劑的溫差，適當(dāng)提高堆芯含汽率采取適當(dāng)控制措施，減小海洋條件對(duì)自然循環(huán)的不利影響9/16/202459《核動(dòng)力裝置》Ⅳ.減振降噪