核动力舰船

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核动力舰船

【澳大利亚铀信息中心2005年3月简报第32期报道】

y 核动力特别适合于需要在海上长期航行而不必更换燃料或者要求有强劲水下推进力的舰船。

y 目前全世界有150多艘舰船是由220多个小型核反应堆提供动力的，它们在海上的作业时间已累积超过1.2万堆年。

y 这些舰船绝大多数为潜艇，但也包括其他一些舰船，例如航空母舰和破冰船。

y 在未来，化石燃料的种种限制将为舰船核动力提供更广阔的应用天地。

核动力舰船推进的研究工作始于20世纪40年代，第1座实验堆于1953年在美国启动。全世界第1艘核潜艇——美国的“鹦鹉螺”号于1955年下水。这标志着潜艇实现了从低速水下舰艇向能够以20～25节航速在水下连续航行数周的战舰的飞跃。

继“鹦鹉螺”号之后，美国对更多的潜艇（鳐鱼级，由单座压水堆提供动力）和“企业”号航空母舰（由8座反应堆提供动力，于1960年下水）进行了研发。“长滩”号导弹巡洋舰紧接着在1961年下水，该舰由两座压水堆提供动力。格外引人注目的是“企业”号至今仍在服役中。

到1962年，美国海军共有26艘核潜艇在役，30艘在建。核动力是对海军的一次革命。

此后，英国从美国得到舰艇核动力技术，而法国、俄罗斯和中国各自开展了这方面的研发。

自鳐鱼级潜艇之后，舰船反应堆开发不断取得新进展。美国的单堆（由1座反应堆为1艘舰船提供动力）系列标准化设计是由西屋（Westinghouse ）和通用电气公司（GE ）完成的。英国的罗尔斯-罗伊斯公司（Rolls Royce ）为英国皇家海军制造了类似的反应堆，并将其设计改进为PWR-2型。

俄罗斯开发了压水堆和铅-铋冷却堆两种舰船用反应堆，但后者最终被放弃了。先后有4代潜艇压水堆得到应用，最后1座反应堆于1995年在北德文斯克级潜艇上服役。

全世界最大的潜艇是俄罗斯台风级潜艇（2.65万t 级，由2座190 MWt 压水堆提供动力）。该级潜艇已被具有同样反应堆的2.4万t 级的奥斯卡-II 级（例如“库尔斯克”号）所取代。

与美国海军出色的安全记录相比，苏联早期的尝试造成众多的严重事故，其中5次事故导致反应堆完全损毁，更多的事故导致放射性泄漏。但自20世纪70年代末第3代舰船用压水堆开始，其安全性大大提高。 海军核舰艇

俄罗斯在1950—2003年共建造了248艘核潜艇和5艘水面舰艇，它们分别由468座反应堆提供动力，到2003年仍在服役的舰艇大约有60艘。

在1989年冷战结束时，全世界共有400多艘在役或在建的核潜艇。根据削减核武器计划，其中大约250艘已报废，一些新定货已取消。此后，美俄各自拥有在役核潜艇100多艘，英法各自拥有不到20艘，中国6艘。目前，全世界共剩下约160艘核潜艇。

美国是当今拥有核动力航空母舰最多的国家（11艘），美俄都曾拥有核动力巡洋舰（美国9艘，俄罗斯4艘）。俄罗斯目前有8艘在役核动力破冰船。美国海军已积累

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了超过5500堆年的无事故经验，共拥有80多艘在役核动力舰艇，舰船用反应堆105座（截止到2004年8月）。俄罗斯拥有6000堆年的航海经验。 民用船只

在俄罗斯北极海域内，恶劣的环境已超出传统破冰船的运行能力，而核动力推进在技术和经济上已证明是举足轻重的：破冰对功率水平要求很高，要能破3 m 厚的冰层，而且其他类型船只的燃料补给困难。核舰船已把在北极圈内的航行时间从原来的每年2个月延长到10个月，并在北极圈西部实现了全年航行。

“列宁”号破冰船是全世界第1艘水面核动力船只（2万t 级），服役期长达30年，期间曾于1970年更换过一次反应堆。此后，一系列大型破冰船（6艘2.35万t 级的北极级破冰船）自1975年开始相继下水。这些动力强劲的船只拥有2座输出功率为56 MW 的反应堆，在偏远的北极海域服役。“北极”号破冰船于1977年成为世界上第1艘到达北极极点的水面船只。

作为在港湾和江河等浅水区域的应用，2艘浅水泰米尔级破冰船（1.8万t 级，由1座反应堆提供动力，输出功率为38 MW ）在芬兰建造，并在俄罗斯配装核蒸汽供应系统。它们的建造完全符合核舰船的国际安全标准，并从1989年开始陆续下水。

核动力商用船只的开发始于20世纪50年代，但总体上讲未获得商业成功。美国建造的2.2万t 级的“萨凡纳”号于1962年开始调试，并在8年后退役。它在技术上是成功的，但在经济上却是不可行的。它拥有1座热功率为74 MWt 的反应堆，输出功率为16.4 MW 。德国造的1.5万t 级“Otto Hahn ”

号货船及研究设备在10年里的126次航海中航行了约65万海里，没有出现任何技术问题。它拥有1座热功率为36 MWt 的反应堆，输出功率为8 MW 。但是，经验证航行成本过高，该船于1982年改为柴油动力。8000 t 级的日本“陆奥”号是世界上第3艘核动力民用船只，于1970年开始服役。其反应堆的热功率为36 MWt ，输出功率为 8 MW 。由于受技术和政治问题的困扰，该船最终以失败告终。上述3艘核动力船只上使用的反应堆均以低浓铀为燃料（3.7%～4.4%的铀-235）。

1988年“Sevmorput ”号在俄罗斯开始调试，主要服务于北西伯利亚的港口。它是1艘6.2万t 级的拖船（把驳船拖到港口浅水区），同时也是一艘带有破冰船头的集装箱装运船。它由与大型破冰船上相同的KLT-40反应堆提供动力，该反应堆热功率为 135 MWt ，输出功率为30 MW 。到2003年，它仅换料1次。

至2003年，俄罗斯在北极的核动力船只已累积了250堆年的经验。1艘更大的净输出功率为110 MW 的5.6万t 级的破冰船，以及更多60 MW 的3.2万t 级双动力破冰船正在计划中。 核动力机组

海军舰艇用反应堆（仅有一个例外）都是压水堆型，它与用于发电的商用反应堆的不同之处在于：

y 舰艇用反应堆的体积很小，输出功率却很大，因此需要高浓铀（＞20%的铀-235）燃料来运行。

y 燃料不是二氧化铀，而是铀-锆合金或铀-铝合金或是金属陶瓷燃料（“库尔斯克”号核潜艇）。

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y 它们的堆芯寿期很长，因此10年或10多年后才需要换料，航空母舰和潜艇新堆芯的设计寿期分别为50年和30～40年（美国弗吉尼亚级终身不用换料）。

y 该设计采用小型压力容器，但安全性很高。“Sevmorput ”号上相对大型的舰船用反应堆的压力容器高4.6 m ，直径1.8 m ，堆芯高1 m ，直径1.2 m 。

y 由于需要灵活的功率输出，其热效率比非核动力机组低，空间对蒸汽系统也有限制。

堆芯寿期长是因为铀浓度相对较高，还因为在堆芯内加入了“可燃毒物”（如钆），它随着裂变产物和锕系元素的积累而逐步消耗，这将导致燃料效率下降。这两种效应是相互抵消的。

通过提供内部中子屏蔽保证了小型压力容器的长期完整性。（这与在前苏联早期的民用压水堆设计中非常狭小的压力容器因中子轰击而发生脆变形成了鲜明对比）。 俄罗斯阿尔法级核潜艇拥有1座

155 MWt 的液态金属冷却反应堆（LMR ），使用浓度极高的铀作为燃料。虽然这些潜艇的航速非常高，但在确保铅-铋冷却剂在反应堆停堆时不发生冻结方面却遇到操作问题。该设计是不成功的，仅在8艘事故频发的潜艇上应用。

舰船用反应堆的功率从10 MWt （原型堆）到大型潜艇的200 MWt ，以及水面船只如基洛夫级巡洋舰达到300 MWt 。拥有 48 MW 反应堆的法国红宝石级潜艇30年不需要换料。俄罗斯的奥斯卡-II 级潜艇拥有2座190 MWt 反应堆。

俄罗斯、美国和英国海军依靠汽轮机推进，法国和中国用汽轮机发电作为推进力。俄罗斯的弹道导弹核潜艇以及自美国“企业号”以后的全部水面舰船都是由双堆提供动力的。其他潜艇（除俄罗斯的个别核攻击潜艇）都是由1座反应堆提供动力的。

大型俄罗斯破冰船使用2座KLT-40反应堆，每座反应堆拥有241或274组燃料组件，使用30%～40%的浓缩铀燃料，换料周期为3～4年。反应堆驱动汽轮机，每座反应堆的输出功率为33 MW （4.4万马力）。虽然“Sevmorput ”号使用的是同一种机组，但其使用的是90%的高浓铀。

俄罗斯正在对下一代破冰船一体化轻水反应堆的设计进行调研，很可能将替代传统的压水堆。

核潜艇退役现已成为美俄海军的一项重要工作。在卸料之后，正常作业是将反应堆部分与艇体切割开，并把它作为低放废物进行浅埋处置。在俄罗斯，有些退役舰船的整个艇体或密封的反应堆部分将无限期地漂浮在海上。

1座船用反应堆曾为美国南极基地提供电力（1.5 MWe ）达10年，直到1972年，以验证将这种可以空运的反应堆用于偏僻地区的可行性。俄罗斯在其远东地区建造1座浮动式核电厂的计划取得相当的进展。该设计采用2台以破冰船上使用的KLT-40反应堆为基础的35 MWe 机组，换料周期为4年。 前景

随着人们越来越关注燃烧化石燃料造成的温室气体排放、化石燃料在海上运输中的局限性，以及核动力舰船良好的安全记录，不难想像人们将更加重视海上核动力推进技术的应用。

（张炎 译 伍浩松 校）